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Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit einer Wälzlagerbaugruppe, wobei die Wälzlagerbaugruppe ein Wälzlager aufweist, mit einer Sensoreinrichtung zur Erfassung einer auf das Wälzlager oder in dem Wälzlager wirkenden Lagerkraft in Form einer axialen Vorspannkraft, wobei die Sensoreinrichtung in einer Einbaulage mittelbar oder unmittelbar in oder an dem Wälzlager angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erstellung der Kalibrierinformation für eine Sensoreinrichtung sowie eine Verwendung der Lageranordnung.
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Es ist bekannt, beim Betrieb eines auf einer Welle montierten Wälzlagers Kraftmesseinrichtungen vorzusehen, um die auf das Wälzlager wirkenden Kräfte zu messen.
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Beispielsweise beschreibt die Offenlegungsschrift
DE 4218949 A1 ein Kraftmesslager mit einer Kraftmesseinrichtung. Die Kraftmesseinrichtung ist ein als eine Kraftmessfolie ausgebildetes Sensorelement mit einer Profildicke zwischen 0,02 und 0,7 Millimetern ausgebildet. Sie ist in beliebig ausgebildete Ausnehmungen an Wälzlagern oder in mit Wälzlagern in Verbindung stehende, beziehungsweise das ganze Lager umschließende Zwischenglieder einsetzbar. Die Kraftmessfolie ist zur Erfassung einer statischen als auch einer dynamischen Kraftmessung in axialer und in radialer Richtung einsetzbar.
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Die
DE 10 2004 048 633 A1 beschreibt eine Abgleich- und Kalibriereinrichtung für ein Sensorlager mit integrierter Sensorik für Kraft, Temperatur und Körperschall. Zur Betriebssimulation werden Axial- und/oder Radialkräfte aufgebracht und Korrekturparameter gewonnen, die in Signalverarbeitungsmitteln bzw. einem Microcomputer des Sensor- oder Messlagers permanent abgespeichert werden und dort für eine Ausgabe von abgeglichenen bzw. kalibrierten Ausgangssignalen sorgen.
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Die
EP 637734 B1 offenbart eine Vorrichtung umfassend ein Wälzlager mit Wälzkörpern und ein Kraftmesssystem zur Messung von Lagerkräften. Dabei ist ein Sensor an wenigstens einem der Wälzkörper angeordnet.
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Die
DE 10 2007 009 093 A1 beschreibt ein Wälzlager mit Wälzkörpern, wobei zur drahtlosen Abfrage von Daten ein RFID-Tag auf einem Wälzkörper angeordnet ist. Diese Daten können eine Identifikation des damit versehenen Bauteils oder Betriebsbedingungen des Wälzlagers beinhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine funktional verbesserte Lageranordnung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Lageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie durch eine Verwendung der Lageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung und/oder den beigefügten Figuren.
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Es wird eine Lageranordnung vorgeschlagen. Die Lageranordnung umfasst eine Wälzlagerbaugruppe, wobei die Wälzlagerbaugruppe ein Wälzlager aufweist. Beispielsweise ist das Wälzlager ein Kegelrollenlager oder Kugellager, insbesondere ein Schrägkugellager. Für eine Langlebigkeit ist bei diesen Wälzlagern die korrekte Einstellung der Vorspannkraft unerlässlich. Bevorzugt weist das Wälzlager einen Innenring, mehrere Wälzkörper und einen Außenring auf. Neben dem Wälzlager kann die Wälzlagerbaugruppe weitere Komponenten, wie z. B. Spannmuttern etc. aufweisen.
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Die Lageranordnung umfasst eine Sensoreinrichtung zur Erfassung einer auf das Wälzlager oder in dem Wälzlager wirkenden Lagerkraft in Form einer axialen Vorspannkraft. Vorzugsweise handelt es sich bei der Lagerkraft um eine unmittelbar oder mittelbar und/oder direkt oder indirekt eingeleitete Kraft. Beispielsweise ist die Lagerkraft eine innerhalb des Wälzlagers wirkende Lagerkraft. Besonders bevorzugt ist die Lagerkraft eine axiale Vorspannkraft bei und/oder während der Montage des Wälzlagers auf einen Tragkörper. Insbesondere wirkt die Vorspannkraft zwischen dem Tragkörper und dem auf dem Tragkörper montierten Wälzlager. Beispielsweise ist der Tragkörper eine Welle oder Achse.
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Die Sensoreinrichtung ist zur Erfassung der Lagerkraft in einer Einbaulage mittelbar oder unmittelbar in oder an dem Wälzlager angeordnet. Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung zur Erfassung der Lagerkraft während oder nach der Montage des Wälzlagers auf den Tragkörper ausgebildet. Insbesondere ist die Sensoreinrichtung zur Erzeugung eines Sensorsignals in Abhängigkeit der erfassten Lagerkraft ausgebildet.
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Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung in der Einbaulage mit einer Auswerteeinrichtung koppelbar bzw. gekoppelt, um das Sensorsignal an diese zu übermitteln. Hierfür weist die Sensoreinrichtung bevorzugt eine Kopplungsschnittstelle und die Auswerteeinrichtung eine Kopplungsgegenschnittstelle auf. Optional umfasst die Lageranordnung die Auswerteeinrichtung.
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Die Auswerteeinrichtung ist zur Auswertung des übermittelten Sensorsignals zur Ermittlung der Lagerkraft, insbesondere der Vorspannkraft ausgebildet. Optional erfolgt durch die Auswerteeinrichtung die Ausgabe eines Wertes der Lagerkraft optisch und/oder akustisch. Besonders bevorzugt ist, dass die Sensoreinrichtung nach der Auswertung des Sensorsignals von der Auswerteeinrichtung entkoppelt, insbesondere dauerhaft getrennt wird.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Lageranordnung in einem kalibrierten Zustand ist, indem der Lageranordnung in dem kalibrierten Zustand eine Kalibrierinformation zur Kalibrierung der Sensoreinrichtung zugeordnet ist, wobei die Kalibrierinformation individuell auf die Lageranordnung abgestimmt ist und eine Einstellung einer definierten axialen Vorspannkraft am Wälzlager ermöglicht. Die Kalibrierung der Sensoreinrichtung ermöglicht bei der Ermittlung der Lagerkraft in Form der axialen Vorspannkraft, individuelle Messcharakteristiken jeder einzelnen Sensoreinrichtung, die auf fertigungstechnische Schwankungen zurückzuführen sind, zu berücksichtigen. Des Weiteren werden Messabweichungen, die durch individuelle Lage- und/oder Formabweichungen bei der Montage der Sensoreinrichtung in oder an der Wälzlagerbaugruppe resultieren können, berücksichtigt.
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Die Lagerbelastung und damit die Lebensdauer und/oder der Reibwiderstand des Wälzlagers wird entscheidend durch vorherrschende Lagerkräfte wie z. B. die Vorspannkraft bestimmt. Die Sensoreinrichtung soll diese Lagerkräfte erfassen, um insbesondere die geforderte Vorspannkraft einstellen und folglich eine Überbelastung des Wälzlagers vermeiden zu können. Herstellungsbedingt können Sensoreinrichtungen in der Serienfertigung Schwankungen in der Messcharakteristik aufweisen. Als mögliche Konsequenz könnten fehlerhafte Angaben zu den erfassten Lagerkräften, insbesondere der eingestellten Vorspannkraft ausgegeben werden. Vorteilhafterweise wird durch die Kalibrierinformation die individuelle Abweichung der Messcharakteristik der dem Wälzlager zugeordneten Sensoreinrichtung zu einer anderen Sensoreinrichtung, insbesondere zu einer Sensoreinrichtung mit einer Soll-Messcharakteristik dargelegt.
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Die Kalibrierung erfolgt nicht während der Produktion, sondern nach Fertigstellung der Wälzlagerbaugruppe und mit der in der Einbaulage befindlichen Sensoreinrichtung als zusammengebaute Lageranordnung. Fehlerquellen zu den erfassten Lagerkräften können somit auch aus Lage- und Formtoleranzen der Lageranordnung oder aus der Position der Sensoreinrichtung in der Wälzlagerbaugruppe resultieren, wobei die Fehlerquellen jedoch vorteilhafterweise mittels der Kalibrierung der Lageranordnung kompensiert werden. Auf diese Weise liefert die Kalibrierinformation eine Grundlage für eine genaue und prozesssichere Montage der einbaufertigen Lageranordnung.
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Durch ein Auslesen der Kalibrierinformation kann diese beispielsweise bei der Erfassung der Lagerkräfte durch Regeleinrichtungen berücksichtigt werden, sodass ein von den Fertigungsschwankungen der Sensoreinrichtung unabhängiges Ergebnis erzielt wird. Folglich ist eine korrekte Erfassung der Lagerkräfte, im Speziellen eine präzise Vorspannungseinstellung realisierbar. Auf diese Weise kann eine zusätzlich auftretende Lagerbelastung z. B. infolge einer zu hoch oder zu niedrig eingestellten Vorspannkraft ausgeschlossen und eine längere Lebensdauer der Lageranordnung erzielt werden.
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Die Kalibrierinformation kann bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung als eine Absolutkalibrierung ausgebildet sein, so dass auf Basis des Sensorsignals und der Kalibrierinformation die Lagerkraft bestimmbar ist. Alternativ kann die Kalibrierinformation als eine Relativkalibrierung oder als ein Korrekturwert ausgebildet sein, so dass auf Basis des Sensorsignals einer Referenzkalibrierung und der Relativkalibrierung die Lagerkraft bestimmbar ist. Optional umfasst die Kalibrierinformation einen Ausgabewert, der unter Berücksichtigung der Messabweichung die einzustellende Lagerkraft in Form der axialen Vorspannkraft angibt. Bei einer beispielhaften Ausgestaltung umfasst die Kalibrierinformation einen Verhältniswert einer Kraft, insbesondere einer Referenzkraft zu dem übermittelten Sensorsignal. Insbesondere handelt es sich bei dem Verhältniswert um einen Proportionalitätsfaktor.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kalibrierinformation auf der Lageranordnung sichtbar oder zugänglich angeordnet, sodass das Auslesen der Kalibrierinformation des zu montierenden bzw. montierten Wälzlagers und/oder während des Auswertens der Lagerkraft möglich ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kalibrierinformation auf der Sensoreinrichtung, insbesondere auf einem in der Einbaulage der Sensoreinrichtung freiliegenden Abschnitt angeordnet. Insbesondere ist die Kalibrierinformation verliersicher auf der Sensoreinrichtung angeordnet. Beispielsweise ist die Kalibrierinformation aufgeklebt, aufgedruckt oder auf die Sensoreinrichtung gelasert. Durch die Direktbeschriftung ist eine direkte Zuordnung und somit eine schnelle Auswertung der Kalibrierinformation erzielt.
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Des Weiteren ist bevorzugt, dass die Kalibrierinformation eine maschinenlesbare Information ist. Insbesondere ermöglicht die maschinenlesbare Information ein maschinelles Auslesen der Kalibrierinformation durch eine Ausleseeinrichtung. Beispielsweise ist die Ausleseeinrichtung ein Lesegerät, ein optischer Scanner oder eine Kamera. Optional umfasst die Lageranordnung die Ausleseeinrichtung. Vorteilhafterweise ermöglicht die maschinenlesbare Information insbesondere ein halbautomatisiertes oder automatisiertes Auslesen der Kalibrierinformation.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die Kalibrierinformation ein Farb- oder Formencode, insbesondere ein Strichcode und/oder ein 2D-Code wie zum Beispiel ein DataMatrix-Code. Alternativ oder optional ergänzend ist die Kalibrierinformation ein elektrisch speicherbarer Datensatz. Dieser ist vorzugsweise mittels einer Speicherelektronik wie beispielsweise einem RFID berührungslos speicher- und auslesbar. Beispielsweise umfasst die Sensoreinrichtung die Speicherelektronik, auf der die Kalibrierinformation hinterlegt ist.
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In einer bevorzugten Ausbildungsform ist die Sensoreinrichtung eine Folie, vorzugsweise eine Messfolie, insbesondere eine Polyvinylidenfluoridfolie (PVDF-Folie). Möglich ist auch, dass die Sensoreinrichtung als ein einlagig oder mehrlagig ausgebildeter Messstreifen oder als ein einlagig oder mehrlagig ausgebildetes Messplättchen ausgebildet ist. Dadurch ist die Sensoreinrichtung verhältnismäßig dünn und/oder flexibel ausgebildet und kann auf einfache Weise und ohne funktionseinschränkende Wirkung auf oder in das Wälzlager in der Einbaulage angeordnet werden und dauerhaft dort verbleiben. Alternativ kann die Sensoreinrichtung als ein Messstift, eine Messfaser oder Messzapfen ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass die Sensoreinrichtung passgenau und ohne die Funktion des Wälzlagers einzuschränken in mindestens eine Bohrung im Innen- und/oder Außenring des Wälzlagers angeordnet werden kann und optional dauerhaft dort verbleiben kann.
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Die Sensoreinrichtung ist insbesondere in mindestens einer der beschriebenen Ausbildungsformen als ein piezoelektrisch, induktiv oder spannungsoptisch arbeitender Sensor ausgebildet. Alternativ ist auch möglich, dass die Sensoreinrichtung als ein hydraulisch und/oder chemisch arbeitender Sensor ausgebildet ist.
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In einer besonders bevorzugten konstruktiven Umsetzung der Erfindung ist die Sensoreinrichtung in der Wälzlagerbaugruppe, insbesondere in dem Wälzlager integriert. Beispielsweise ist die Sensoreinrichtung am Innenring und/oder am Außenring des Wälzlagers angeordnet. Hierbei ist die Sensoreinrichtung insbesondere an einer Axialfläche und/oder Stirnfläche des Innen- und/oder Außenrings angeordnet. Alternativ oder optional ergänzend ist die Sensoreinrichtung in einer Bohrung am Innen- und/oder Außenring angeordnet. Bei der Anordnung auf der Axial- und/oder Stirnfläche ist die Sensoreinrichtung beispielsweise kreisringförmig ausgebildet. Somit kann eine gleichmäßige Druckverteilung auf die Sensoreinrichtung gewährleistet werden. Bei der Anordnung der Sensoreinrichtung in der Bohrung des Innen- und/oder Außenrings ist diese bevorzugt als der Messstift oder Messzapfen ausgebildet.
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Alternativ oder optional ergänzend ist die Sensoreinrichtung auf einer Laufbahn mindestens eines der Wälzkörper angeordnet. Insbesondere ist die Sensoreinrichtung zwischen der Laufbahn und mindestens einem Wälzkörper des Wälzlagers angeordnet. Hierbei ist die Sensoreinrichtung vorzugsweise als die Folie oder als der Messstreifen ausgebildet. Da die Sensoreinrichtung in dieser Ausbildung bevorzugt eine sehr geringe Dicke aufweist, ist sie für die Anordnung auf der Laufbahn besonders geeignet. Wenn die Sensoreinrichtung nach der Ermittlung der Lagerkraft in der Einbaulage verbleibt und nicht aus dieser entnommen wird, wird die Sensoreinrichtung üblicherweise durch das stetige Wälzen des/der Wälzlager zerstört, wenn dies nicht schon bereits durch die Entkopplung erfolgt ist.
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Bei der Anordnung der Sensoreinrichtung auf der Laufbahn des Wälzlagers als Schrägkugellager ist die axiale Vorspannkraft aufgrund der schräg zum Tragkörper verlaufenden Lauffläche des Wälzkörpers ermittelbar. Bei der Anordnung der Sensoreinrichtung auf der Laufbahn des Wälzlagers als Kegelrollenlager ist die Lauffläche der Kegelrollen konisch ausgebildet. Aufgrund der schräg verlaufenden Ausbildung der Lauffläche beim Schrägkugellager oder der konisch ausgebildeten Lauffläche beim Kegelrollenlager nehmen diese Wälzlager zugleich radiale und axiale Belastungen auf. Insbesondere ist die axiale Vorspannkraft durch die Erfassung und Auswertung der axialen Belastung direkt oder indirekt ermittelbar.
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Vom konstruktiven Aufbau ist es bevorzugt, dass die Lageranordnung eine selbsthaltende Baugruppe ist. Diese Ausgestaltung erweist sich von Vorteil, da die Wälzlagerbaugruppe mit dem Wälzlager und zusammen mit der in der Einbaulage in der Wälzlagerbaugruppe angeordneten Sensoreinrichtung als verkaufsfähige Einheit vertrieben werden kann. Zudem ist eine unmittelbare Zuordnung der Kalibrierinformation zu der zugehörigen Lageranordnung ermöglicht.
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Zum dauerhaften Verbleib in der Einbaulage ist die Sensoreinrichtung bevorzugt stoffschlüssig in dieser befestigt. Insbesondere ist die Sensoreinrichtung in der Einbaulage verklebt. Insbesondere ist die Sensoreinrichtung durch die stoffschlüssige Verbindung nicht zerstörungsfrei aus der Einbaulage entnehmbar.
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Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Sensoreinrichtung nach der Übermittlung und/oder Auswertung des Sensorsignals aus dem Wälzlager entnommen wird. Insbesondere befindet sich die Sensoreinrichtung hierfür in einer losen und/oder lösbaren Einbaulage, wodurch sie aus dieser werkzeugfrei entnehmbar ist. Vorzugsweise wird die Sensoreinrichtung in die Einbaulage angeklebt, lose eingelegt, eingeschoben und/oder eingesetzt. Zum Beispiel ist es möglich, die Sensoreinrichtung durch Drehung mindestens eines der Wälzkörper des Wälzlagers aus der Einbaulage zu entnehmen. Bevorzugt ist, dass die Sensoreinrichtung eine Griffhilfe aufweist, die zum Beispiel als eine von der Sensoreinrichtung abstehende Fahne ausgebildet ist. Bevorzugt ist die Fahne von außerhalb der Einbaulage zugänglich, sodass diese gegriffen werden kann und die Sensoreinrichtung aus der Einbaulage herausgezogen werden kann.
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Eine optionale Überlegung ist, die Sensoreinrichtung nach der Entnahme aus der Einbaulage bei der Kalibrierung mindestens einer weiteren Lageranordnung wieder zu verwenden. Dies hat den Vorteil, dass Kosten für weitere Sensoreinrichtungen eingespart werden können.
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In einer optionalen Realisierung der Lageranordnung sind mehrere Sensoreinrichtungen in mehreren ggf. auch unterschiedlichen Einbaulagen im oder am Wälzlager angeordnet. Möglich ist auch, dass sich die mehreren Sensoreinrichtungen in ihrer Ausbildungsform und/oder Funktionsweise unterscheiden. Durch ortsaufgelöste Anordnung der mehreren Sensoreinrichtungen in den mehreren Einbaulagen können verschiedene Messpunkte bereitgestellt werden. Dies kann insbesondere zu sichereren und genaueren Messergebnissen führen. Bei dieser Realisierung ist es bevorzugt, dass für jede der Sensoreinrichtungen eine Kalibrierinformation als die Kalibrierinformation vorliegt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Wälzlager um ein Fahrradtretlager. Bei dem montierten Fahrradtretlager ist ein durch eine Fehleinstellung der Vorspannkraft resultierender erhöhter Tretwiderstand für einen Endbenutzer direkt bemerkbar. Die Kalibrierung des Fahrradtretlagers ermöglicht die korrekte Einstellung der Vorspannkraft, sodass die gewünschte Leichtgängigkeit des Fahrradtretlagers und somit die Kundenzufriedenheit sicherstellt ist.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung der Kalibrierinformation für die Lageranordnung nach der vorhergehenden Beschreibung.
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Zur Erstellung der Kalibrierinformation wird die Lageranordnung in einer Kalibrieranlage unmittelbar oder mittelbar mit einer Referenzkraft beaufschlagt. Beispielsweise ist die Referenzkraft eine Vorspannreferenzkraft. Die Sensoreinrichtung erfasst die Referenzkraft und erzeugt in Abhängigkeit dieser das Sensorsignal. Vorzugsweise übermittelt die Sensoreinrichtung das Sensorsignal an die Auswerteeinrichtung. Bei der Auswerteeinrichtung kann es sich um dieselbe Auswerteeinrichtung zur Auswertung der Lagerkraft in Form der axialen Vorspannkraft, alternativ um eine separate Auswerteeinrichtung handeln. Diese wertet das Sensorsignal zur Erfassung der Referenzkraft für die Kalibrierung der Lageranordnung aus. Auf Basis des Sensorsignals und der bekannten Referenzkraft wird die Kalibrierinformation erstellt und der Lageranordnung zur Überführung in den kalibrierten Zustand zugeordnet.
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Die Sensoreinrichtung verbleibt nach der Erstellung und Zuordnung der Kalibrierinformation in der Einbaulage, sodass bei der Auswertung der Lagerkraft des zu montierenden bzw. montierten Wälzlagers die Messabweichung dieser Sensoreinrichtung berücksichtigt wird und folglich unter Berücksichtigung der Kalibrierinformation ein korrekter Messwert ausgegeben wird. Sollte die Sensoreinrichtung auch noch nach der Montage der Lageranordnung in der Endeinbaulage verbleiben, ist sie z. B. als ein sogenannter verlorener Sensor ausgebildet.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine prozesssichere und günstige Kalibrierung der Lageranordnung realisiert werden. Unter Verwendung derselben Sensoreinrichtung ist mittels der Kalibrierinformation eine korrekte Erfassung der auf das zu montierende bzw. montierte Wälzlager wirkenden Lagerkraft, d. h. das präzise Einstellen der geforderten Vorspannkraft, erzielbar. Besonders vorteilhaft ist, dass das Verfahren für die Serienproduktion, die in der Regel durch Lage- und Formtoleranzen zu einer Streubreite in der Messcharakteristik führt, geeignet ist. Vorteilhaft ist weiterhin, dass die Wälzlagerbaugruppe zusammen mit der in der Einbaulage im Wälzlager angeordneten Sensoreinrichtung sowie der Kalibrierinformation als Lageranordnung als verkaufsfähige Einheit vertrieben werden kann.
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Einen weiteren Gegenstand der Erfindung betrifft eine Verwendung der Lageranordnung nach der vorhergehenden Beschreibung. Die Lageranordnung in dem kalibrierten Zustand wird montiert und mit einer Lagerkraft in Form einer axialen Vorspannkraft beaufschlagt. Die Sensoreinrichtung erfasst die Lagerkraft und übermittelt diese als Sensorsignal an die Auswerteeinrichtung. Vorzugsweise liest die Ausleseeinheit die Kalibrierinformation aus. Die Auswerteeinrichtung wertet das Sensorsignal unter Nutzung der Kalibrierinformation zur Kalibrierung der Sensoreinrichtung aus, insbesondere in Abhängigkeit der Kalibrierinformation aus, um die Lagerkraft zu bestimmen. Nachfolgend wird die Lagerkraft bzw. Vorspannkraft in Abhängigkeit von der auf Basis der Kalibrierinformation ermittelten Lagerkraft eingestellt.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:
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1 eine Schnittansicht einer Lageranordnung mit einem Wälzlager und mit einer in einer Einbaulage angeordneten Sensoreinrichtung in einem unkalibrierten Zustand;
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2 die Sensoreinrichtung mit einer Kalibrierinformation;
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3 eine Schnittansicht der auf einem Tragkörper montierten Lageranordnung aus 1 in einem kalibrierten Zustand mit dem Wälzlager und mit der in der Einbaulage angeordneten Sensoreinrichtung;
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4 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Erstellung der Kalibrierinformation für die Sensoreinrichtung.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer einbaufertigen, unkalibrierten Lageranordnung 1. Die Lageranordnung 1 umfasst eine Wälzlagerbaugruppe mit einem Wälzlager 2 sowie eine Sensoreinrichtung 3. Die Schnittlinie der Schnittansicht der 1 verläuft durch einen Mittelpunkt des Wälzlagers 2. Das Wälzlager 2 weist einen Innenring 4, einen Außenring 5 und mehrere Wälzkörper 6 auf. Es ist ein Kegelrollenlager. Alternativ kann das Wälzlager 2 ein Kugellager, insbesondere ein Schrägkugellager sein.
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Die Sensoreinrichtung 3 ist in einer Einbaulage E im oder am Wälzlager 2 und damit an der Wälzlagerbaugruppe angeordnet. Die in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Einbaulage E wird durch die Anordnung der Sensoreinrichtung 3 an einer Stirn- und/oder Axialfläche 7 des Innenrings 4 gebildet. Diese Anordnung ermöglicht bei einer Montage des Wälzlagers 2 die Erfassung einer bei der Montage oder in der späteren Einbauposition des Wälzlagers 2 wirkenden axialen Vorspannkraft K, wie in der 3 noch näher erläutert wird. Alternativ kann die Sensoreinrichtung 3 auch an der Stirn- und/oder Axialfläche des Außenrings 5 angeordnet sein. Zum dauerhaften Verbleib ist die Sensoreinrichtung 3 in der Einbaulage E befestigt, insbesondere verklebt.
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Beispielsweise ist die Sensoreinrichtung 3 als eine Messfolie ausgebildet, die insbesondere aus einem Polyvinylidenfluorid (PVDF) gebildet ist. Die Sensoreinrichtung 3 ist z. B. ein piezoelektrisch arbeitender Sensor. Sie erfasst eine auf das Wälzlager 2 oder in dem Wälzlager 2 wirkende Lagerkraft. Die Sensoreinrichtung 3 erzeugt in Abhängigkeit der erfassten Lagerkraft z. B. aufgrund des piezoelektrischen Effekts ein elektrisches Sensorsignal S, insbesondere eine messbare Spannung.
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Die Sensoreinrichtung 3 ist zur Übermittlung des Sensorsignals S mit einer Auswerteeinrichtung 9 lösbar gekoppelt. Die Sensoreinrichtung 3 weist eine außerhalb der Einbaulage zugängliche Kopplungsschnittstelle 11 auf, über die sie mit der Auswerteeinrichtung 9 gekoppelt ist. Die Kopplungsschnittstelle 11 ist eine abstehende Fahne. Optional umfasst die Lageranordnung 1 die Auswerteeinrichtung 9. Die Auswerteeinrichtung 9 weist eine Kopplungsgegenschnittstelle 12 auf, über die die Auswerteeinrichtung 9 während und/oder nach der Erfassung der Lagerkraft und zur Übertragung des Sensorsignals S mit der Sensoreinrichtung 3 gekoppelt ist, sodass eine elektrische Verbindung gebildet ist. Die Kopplungsgegenschnittstelle 12 ist eine über ein Kabel angeschlossene Zange oder ein über das Kabel angeschlossener Clip, die/der die Kopplungsschnittstelle 11 greift. Optional umfasst die Lageranordnung 1 die Auswerteeinrichtung 9.
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Die Lageranordnung 1 liegt nach dem Zusammenbau in einem unkalibrierten Zustand vor. Die Lageranordnung 1 ist von dem unkalibrierten in einen kalibrierten Zustand zu überführen, um Abweichungen in den Messergebnissen zur Lagerkraft infolge von fertigungstechnischen Schwankungen der Sensoreinrichtung 3 und/oder deren Befestigung an dem Wälzlager 2 zu kompensieren. Für den kalibrierten Zustand wird eine Kalibrierinformation 10 (2) erstellt, wobei die Kalibrierinformation 10 individuell, d. h. auf die Lageranordnung 1 einzeln abgestimmt, ist.
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Die Lageranordnung 1 wird für die Kalibrierung und somit für eine Überführung von dem unkalibrierten Zustand in den kalibrierten Zustand in einer Kalibrieranlage mit einer Referenzkraft R beaufschlagt, wobei die Sensoreinrichtung 3 in Abhängigkeit der Referenzkraft R das Sensorsignal S erzeugt. Die Auswerteeinrichtung 9 wertet das Sensorsignal S zur Erstellung der Kalibrierinformation 10 aus. Somit wird auf Basis des Sensorsignals S und der Referenzkraft R die Kalibrierinformation 10 erstellt und nachfolgend der Lageranordnung 1 zugeordnet. Die Kalibrierinformation 10 lässt z. B. auf die Messabweichung der dem Wälzlager 2 zugeordneten Sensoreinrichtung 3 zu einem Soll-Messergebnis einer anderen Sensoreinrichtung 3 als Referenzsensoreinrichtung zurückschließen und bildet damit einen Korrekturwert. Alternativ hierzu ist die Kalibrierinformation 10 als ein Verhältniswert der Referenzkraft R zu dem übermittelten Sensorsignal S oder als eine Maßverkörperung ausgebildet. Die individuelle Kalibrierung jeder Lageranordnung 1 durch die zugeordnete Kalibrierinformation 10 ermöglicht durch die Berücksichtigung der Messabweichungen der Sensoreinrichtung 3 bei der späteren Montage der Lageranordnung 1 eine korrekte Einstellung der geforderten Vorspannungskraft K. Die erfasste Kalibrierinformation 10 wird zum Auslesen sichtbar oder zumindest zugänglich auf der Lageranordnung 1 angeordnet.
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Die 2 zeigt die Sensoreinrichtung 3 in einer schematischen Draufsicht. Die Sensoreinrichtung 3 ist kreisringförmig ausgebildet, wodurch sie in der Einbaulage E passend auf der Axial- und/oder Stirnfläche des Innenrings 4 angeordnet ist. Eine durch die kreisringförmige Ausbildung der Sensoreinrichtung 3 gebildete Ausnehmung 14 ermöglicht die Montage des Wälzlagers 2 auf einen Tragkörper 15 (3). Die Sensoreinrichtung 3 weist auf der Kopplungsschnittstelle 11 elektrische Kontaktbereiche 13 zur elektrischen Verbindung mit der Auswerteeinrichtung 9 auf.
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Wie in 2 gezeigt, ist die Kalibrierinformation 10 auf der Sensoreinrichtung 3, insbesondere auf einem in Einbaulage E der Sensoreinrichtung 3 freiliegenden Abschnitt angeordnet, der über den Innenring 4 des Wälzlagers 2 hinaussteht. Somit ist die Kalibrierinformation 10 sichtbar und zugänglich auf der Sensoreinrichtung 3 platziert. Der freiliegende Abschnitt ist bei diesem Beispiel die Kopplungsschnittstelle 11.
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Die Kalibrierinformation 10 ist eine maschinenlesbare Information und beispielhaft als ein DataMatrix-Code dargestellt. Die Kalibrierinformation 10, insbesondere der DataMatrix-Code wird beispielsweise gelasert, aufgedruckt oder aufgeklebt. Als mögliche Alternative ist die Kalibrierinformation 10 in einem kontaktlos auslesbareren Chip, insbesondere in einem RFID-Chip abgespeichert, der der Lageranordnung 1 zugeordnet ist und insbesondere einen Teil der Sensoreinrichtung 3 bildet.
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3 zeigt die auf den Tragkörper 15 montierte Lageranordnung 1 aus der 1 im kalibrierten Zustand mit dem Wälzlager 2 und mit der in derselben Einbaulage E angeordneten Sensoreinrichtung 3. Der Tragkörper 15 ist eine Welle. Die Lageranordnung 1 ist durch eine Wellenmutter 8 mit einer definierten axialen Vorspannkraft K auf dem Tragkörper 15 montiert. Die Lageranordnung 1 weist in dem kalibrierten Zustand die Kalibrierinformation 10 auf. Die auf die montierte Lageranordnung 1 wirkende Lagerkraft, insbesondere die axiale Vorspannkraft K wird in Abhängigkeit oder auf Basis der Kalibrierinformation 10 eingestellt.
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Eine Ausleseeinrichtung 25, hier ein optisches Auslesegerät, liest die Kalibrierinformation 10 aus. In einem Folgeschritt kann unter Berücksichtigung der ausgelesenen Kalibrierinformation 10 die gewünschte Vorspannkraft K eingestellt werden. Optional ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung 9 die Vorspannkraft K an der Lageranordnung 1 halbautomatisch oder automatisch einstellt.
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Die Sensoreinrichtung 3 erfasst die bei der Montage des Wälzlagers 2 wirkende axiale Vorspannkraft K. Die Sensoreinrichtung 3 erzeugt in Abhängigkeit der erfassten axialen Vorspannkraft K das elektrische Sensorsignal S. Die Sensoreinrichtung 3 ist mit der Auswerteeinrichtung 9, vorzugsweise der in 1 gezeigten Auswerteeinrichtung 9 gekoppelt, die das Sensorsignal S zur Erfassung der Vorspannkraft K unter Berücksichtigung oder Nutzung der Kalibrierinformation 10 auswertet. Beispielsweise ist die Ausleseeinrichtung 25 zur Übermittlung der ausgelesenen Kalibrierinformation 10 mit der Auswerteeinrichtung 9 gekoppelt. Somit kann die Auswerteeinrichtung 9 die wirkende Vorspannkraft K unter Berücksichtigung der übermittelten Kalibrierinformation 10 auswerten. Die Vorspannkraft K wird z. B. auf einem Display der Auswerteeinrichtung 9 angezeigt, sodass das Wälzlager 2 auch in der Serienfertigung schnell und einfach mit definierter axialer Vorspannkraft K auf den Tragkörper 15 montiert werden kann.
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Möglich ist, dass die Lageranordnung 1 mehrere Sensoreinrichtungen 3 aufweist, die in gleichen oder unterschiedlichen Einbaulagen im oder am Wälzlager 2 angeordnet sind. Beispielsweise können die Sensoreinrichtungen 3 an verschiedenen Messpunkten entlang des Innen- und/oder Außenrings 4, 5 und/oder auf den Laufflächen mehrerer Wälzkörper 6 angeordnet sein. In diesem Fall wird die Kalibrierinformation 10 für jede der Sensoreinrichtungen 3 individuell ermittelt, zugeordnet und verwendet.
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Die Sensoreinrichtung 3 kann bei einer weiteren möglichen beispielhaften Einbaulage auf einer Lauffläche mindestens eines der Wälzkörper 6 des Wälzlagers 2 angeordnet sein, um eine innerhalb des Wälzlagers 2 vorherrschende Lagerkraft, insbesondere um axiale und radiale Belastungen zu erfassen. Hierfür ist beispielsweise ein außerhalb der Einbaulage E der Sensoreinrichtung 3 herausstehender Abschnitt für das Zuordnen sowie Auslesen der Kalibrierinformation 10 vorzusehen. Alternativ kann jedoch ebenso eine sichtbare Anordnung der Kalibrierinformation 10 auf dem Außen- und/oder dem Innenring 4, 5 vorgesehen sein.
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4 zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Erstellung der Kalibrierinformation 10 für die Sensoreinrichtung 3 der Lageranordnung 1. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
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16: die Sensoreinrichtung 2 wird in der Einbaulage E im oder am Wälzlager 2 angeordnet;
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17: die Sensoreinrichtung 2 wird mit einer Auswerteeinrichtung 9 signaltechnisch gekoppelt;
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18: die Lageranordnung 1 wird mit einer Referenzkraft R beaufschlagt;
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19: die Sensoreinrichtung 3 erfasst die Referenzkraft R und erzeugt in Abhängigkeit der Referenzkraft R ein Sensorsignal S;
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20: die Auswerteeinrichtung 9 wertet das Sensorsignal S zur Erfassung der Referenzkraft R aus;
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21: die Kalibrierinformation 10 wird erstellt;
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22: die Kalibrierinformation 10 wird der Lageranordnung 1 zugeordnet;
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23: die Sensoreinrichtung 3 verbleibt für die Montage oder den Betrieb der Lageranordnung 1 in der Einbaulage E;
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24: optional ergänzend wird die Sensoreinrichtung 3 nach der Auswertung des Sensorsignals S von der Auswerteeinrichtung 9 entkoppelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lageranordnung
- 2
- Wälzlager
- 3
- Sensoreinrichtung
- 4
- Innenring
- 5
- Außenring
- 6
- Wälzkörper
- 7
- Axialfläche
- 8
- Wellenmutter
- 9
- Auswerteeinrichtung
- 10
- Kalibrierinformation
- 11
- Kopplungsschnittstelle
- 12
- Kopplungsgegenschnittstelle
- 13
- Elektrische Kontaktbereiche
- 14
- Ausnehmung
- 15
- Tragkörper
- 16
- Erster Verfahrensschritt
- 17
- Zweiter Verfahrensschritt
- 18
- Dritter Verfahrensschritt
- 19
- Vierter Verfahrensschritt
- 20
- Fünfter Verfahrensschritt
- 21
- Sechster Verfahrensschritt
- 22
- Siebter Verfahrensschritt
- 23
- Achter Verfahrensschritt
- 24
- Optional neunter Verfahrensschritt
- 25
- Ausleseeinrichtung
- E
- Einbaulage
- K
- Vorspannkraft
- R
- Referenzkraft
