DE102014213878A1 - Verfahren zur Einstellung der Vorspannung in einer Lageranordnung und Lageranordnung - Google Patents

Verfahren zur Einstellung der Vorspannung in einer Lageranordnung und Lageranordnung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Vorspannung in einer Lageranordnung (1), wobei die Lageranordnung (1) mindestens ein Wälzlager (2) mit mindestens einem Lagerinnenring (3) und mindestens einem Lageraußenring (4) umfasst. Um die Vorspannung in einfacher Weise einstellen zu können, sieht die Erfindung vor, dass die Einstellung der Lagervorspannung durch die Durchführung folgender Schritte erfolgt: a) Erhöhung der Vorspannung in der Lageranordnung (1) ausgehend von einem unteren Startwert oder Vermindern der Vorspannung in der Lageranordnung (1) ausgehend von einem oberen Startwert und gleichzeitiges Messen des elektrischen Widerstands (RIst) zwischen dem Lagerinnenring (3) und dem Lageraußenring (4); b) Beenden der Veränderung der Vorspannung in der Lageranordnung (1) sobald ein Zielwert (Rsoll) für den elektrischen Widerstand erreicht ist. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Lageranordnung mit einer Einrichtung zur Einstellung der Vorspannung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Vorspannung in einer Lageranordnung, wobei die Lageranordnung mindestens ein Wälzlager mit mindestens einem Lagerinnenring und mindestens einem Lageraußenring umfasst. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Lageranordnung mit einer Einrichtung zur Einstellung der Vorspannung.
  • Vorgespannte Lageranordnungen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt und gebräuchlich. Häufig werden zwei Kegelrollenlager (aber beispielsweise auch Schrägkugellager, Axialrollenlager, Axialkugellager) axial gegeneinander verspannt, um eine spielfreie Lagerung beispielsweise einer Welle in einem Gehäuse zu bewerkstelligen.
  • Die Einstellung der Vorspannung in einer Lageranordnung der beschriebenen Art, insbesondere beim Einsatz von Kegel- und Schrägkugellagern, ist dabei ein aufwendiger und häufig ungenauer Prozess. Man versucht dabei gemäß einer ersten Möglichkeit, die richtige Vorspannung dadurch einzustellen, dass man entweder das Reibmoment der Lagerung misst (ein Reibmomentanstieg bedeutet eine Zunahme der Lagervorspannung) und beim Erreichen eines bestimmten Wertes für das Reibmoment durch Drehen einer Mutter diese dann gegen weiteres Verdrehen zu sichern. Eine andere Methode besteht darin, die einzelnen Komponenten im Verspannkreis zu vermessen und dann mittels einer Passscheibe den nötigen Vorspannweg zu generieren, der dann beim Anziehen der Mutter gegen einen durch die Passscheibe definierten Anschlag realisiert wird, wodurch die gewünschte Vorspannung erzeugt wird.
  • Die genannten Möglichkeiten sind allerdings entweder relativ ungenau bzw. sehr aufwändig, so dass der Bedarf nach einem Verfahren zur Einstellung der Vorspannung einer gattungsgemäßen Lageranordnung besteht, das weniger aufwändig ist, dennoch aber ein hinreichend genaues Ergebnis liefert.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem es möglich wird, die Vorspannung in der Lageranordnung in einfacher Weise einstellen zu können. Dennoch soll die Vorspannung möglichst genau innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Lagervorspannung durch die Durchführung folgender Schritte erfolgt:
    • a) Erhöhung der Vorspannung in der Lageranordnung ausgehend von einem unteren Startwert (der zumeist Null ist) oder Vermindern der Vorspannung in der Lageranordnung ausgehend von einem oberen Startwert und gleichzeitiges Messen des elektrischen Widerstands zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring;
    • b) Beenden der Veränderung der Vorspannung in der Lageranordnung sobald ein Zielwert für den elektrischen Widerstand erreicht ist.
  • Der genannte Zielwert für den elektrischen Widerstand wird hierbei bevorzugt durch eine Kalibriermessung an der Lageranordnung oder an einer im wesentlichen baugleichen Lageranordnung ermittelt, wobei der Zielwert definiert wird als elektrischer Widerstand, der vorliegt, wenn die gewünschte Vorspannung in der Lageranordnung herrscht.
  • Die Lagerringe werden bevorzugt mit einer elektrischen Isolation versehen, so dass sie elektrisch isoliert zu ihren jeweiligen Anbauteilen (Welle oder Gehäuse) sind. Die Lagerringe können dabei an mindestens einer Stelle frei von der elektrischen Isolation gehalten werden. Die Stelle, an der die Lagerringe frei von der elektrischen Isolation gehalten werden, ist bevorzugt eine Stirnseite der Lagerringe. An der unisolierten Stelle kann ein Kabel angebracht werden, das zu einem Widerstandsmessgerät führt.
  • Bei der Lageranordnung mit einer Einrichtung zur Einstellung der Vorspannung weist die besagte Einrichtung zur Einstellung der Vorspannung erfindungsgemäß auf:
    • – ein Widerstandsmessgerät zur Messung des elektrischen Widerstands zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring;
    • – eine elektrische Verbindung zwischen dem Widerstandsmessgerät und dem Lagerinnenring und eine elektrische Verbindung zwischen dem Widerstandsmessgerät und dem Lageraußenring;
    • – eine Einstellmöglichkeit für die Vorspannung in der Lageranordnung (meist eine Wellenmutter, durch deren Anziehen die Vorspannung erhöht werden kann).
  • Der Lagerinnenring ist dabei bevorzugt mit einer elektrischen Isolation versehen, so dass er elektrisch isoliert zu seinem Anbauteil, insbesondere einer Welle, ist. Entsprechend ist der Lageraußenring bevorzugt mit einer elektrischen Isolation versehen, so dass er elektrisch isoliert zu seinem Anbauteil, insbesondere einem Gehäuse, ist.
  • Die Lagerringe sind dabei bevorzugt an mindestens einer Stelle frei von der elektrischen Isolation. Diese Stelle ist bevorzugt eine Stirnseite der Lagerringe.
  • Die erfindungsgemäße Einstellung der Vorspannung in einer Lagereinheit basierend also auf der Messung des elektrischen Widerstands des Lagers. Die Vorspannung wird also über den gemessenen elektrischen Widerstand des Systems Lageraußenring – Rollen- bzw. Kugelsatz – Lagerinnenring bestimmt und eingestellt (die Voraussetzung hierfür ist natürlich die elektrische Leitfähigkeit des Materials, aus dem die Lagerringe und Wälzkörper bestehen).
  • Bei allen Wälzlagerungen haben die Wälzkörper gleichzeitig mit dem Innenring und dem Außenring Kontakt. Aufgrund der unterschiedlich gekrümmten Kontaktflächen des Wälzkörpers einerseits und der Laufbahn des Innenrings bzw. des Außenrings andererseits entsteht der bekannte Hertzsche Kontakt. Bei einem solchen Kontakt ändert sich die Kontaktfläche unter Einfluss der Kontaktlast. Wird die Last zwischen den Kontaktpartnern größer, vergrößert sich auch die Kontaktfläche; entsprechend nimmt sie ab, wenn die Last verringert wird. Geht die Last gegen Null, wird aus der Kontaktfläche eine Linie oder ein Punkt, abhängig von der Art der Krümmung die Kontaktpartner.
  • Der elektrische Widerstand (R) eines Leiters wird direkt proportional bestimmt durch seinen spezifischen Widerstand (sW) und seine Länge (L) und umgekehrt proportional durch seinen stromdurchflossenen Querschnitt (A). Es gilt mit den genannten Größen also: R = sW × L/A
  • Wenn die Lageringe eines Lagers elektrisch isoliert werden, beispielsweise durch eine Schicht isolierenden Materials (bekannt unter der Bezeichnung „INSOCOAT“) und wird das isolierte Lager montiert, kann im eingebauten und vorgespannten Zustand des Lagers mit geringem Aufwand der elektrische Widerstand des Lagers bestimmen werden. Hierfür genügt beispielsweise eine Seitenfläche pro Lagerring, der teilweise oder vollständig nicht isoliert ist. Die Messung des elektrischen Widerstands wird dann mit einem entsprechenden Widerstands-Messgerät durchgeführt, das den elektrischen Widerstand zwischen den nicht isolierten Stellen zwischen Innenring und Außenring messen kann.
  • Aufgrund der erwähnten physikalischen Grundlagen wird sich bei einer Erhöhung der Kontaktlast – verursacht durch das Aufbringen oder Erhöhen der Vorspannung – der Widerstand zwischen dem Innenring und dem Außenring verkleinern, denn die stromdurchflossene Hertzsche Kontaktfläche wird unter Last größer.
  • Bei einer solchen Messung werden alle Hertzschen Kontakte zwischen allen Wälzkörpern und den Lagerringen als das Ergebnis parallel geschalteter Widerstände erfasst.
  • Die Einstellung der Vorspannung kann so mit geringem Aufwand durchgeführt werden. Der Einfluss des Reibungskoeffizienten auf die Vorspannungseinstellung ist praktisch ausgeschaltet.
  • Die Einstellung bzw. Messung der Vorspannung kann auch von hierfür nicht speziell qualifizierte Werkstätten durchgeführt werden, die ein geeignetes Widerstandsmessgerät haben.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
  • 1 eine Lageranordnung, von der ein Wälzlager dargestellt ist, mit der eine Welle in einem Gehäuse gelagert wird, und
  • 2 schematisch die Messung des elektrischen Widerstands zwischen den Lagerringen zwecks Bestimmung der axialen Lagervorspannung.
  • In 1 ist eine Lageranordnung 1 skizziert, mit der eine Welle 5 in einem Gehäuse 6 gelagert wird. Hierfür werden zwei gegeneinander vorgespannte Wälzlager 2 in Form von Kegelrollenlagern eingesetzt, von denen in 1 nur eines dargestellt ist; das andere, nicht dargestellte Lager ist gleichermaßen ein Kegelrollenlager und in der 1 links angeordnet, so dass die beiden Lager in O-Anordnung positioniert sind. Das Wälzlager 2 hat einen Lagerinnenring 3 und einen Lageraußenring 4, zwischen denen Wälzkörper 17 angeordnet sind.
  • Die beiden Lagerringe 3 und 4 weisen an den Kontaktstellen zu den Anbauteilen (Welle 5 und Gehäuse 6) eine elektrische Isolation 15 bzw. 16 auf. Ein Stromdurchfluss vom Lagerring 3, 4 zum Anbauteil 5, 6 ist somit unterbunden.
  • Allerdings weisen die beiden Lageringe 3, 4 an ihren Stirnseiten 9 bzw. 10 jeweils eine nichtisolierte Stelle 7 bzw. 8 auf, wie es aus 2 ersichtlich wird. Hier ist das Wälzlager 2 schematisch dargestellt wobei allerdings die Wälzkörper 17 als Widerstände mit veränderlichem elektrischen Widerstand symbolisiert sind. Der elektrische Widerstand zwischen dem Lagerinnenring 3 und dem Lageraußenring 4 bei Stromfluss über die Wälzkörper 17 ist veränderlich, weil dieser von der Vorspannung abhängt, mit der das Wälzlager 2 axial vorgespannt ist (Erklärung s. oben). Je höher die Vorspannung ist, desto stärker werden die Wälzkörper 17 und die Lagerringe 3, 4 zusammengedrückt. Die Kontaktflächen der Hertzschen Pressung werden somit größer und der elektrische Widerstand R kleiner.
  • Dies wird vorliegend ausgenutzt, um den Grad der axialen Vorspannung zu ermitteln.
  • Die geht besonders gut aus 2 hervor. Hier ist zu sehen, wie eine elektrische Verbindung 12 zwischen dem Lagerinnenring 3 und einem Widerstandmessgerät 11 sowie eine elektrische Verbindung 13 zwischen dem Lageraußenring 4 und dem Widerstandsmessgerät 11 hergestellt wurde.
  • Zur Einstellung der Vorspannung wird nun zunächst mit einem geringen Vorspannungswert gestartet (bevorzugt mit der Vorspannung Null). Ein Einstellmittel für die Vorspannung in Form einer Mutter 14 wird hierfür zunächst nur mit geringem Drehmoment angezogen. Der elektrische Widerstand R wird gemessen.
  • Vorgesehen kann dabei sein, dass die Lagerringe 3, 4 an mehreren Stellen frei von einer Isolierung sind. Dann kann an mehreren Stellen des jeweiligen Lagerrings der Kontakt hergestellt und ein Mittelwert des Widerstands gebildet werden. Dies erhöht die Genauigkeit des vorgeschlagenen Verfahrens.
  • In 1 ist mit gestrichelten Linien noch die Möglichkeit eingezeichnet, dass alternativ oder additiv der Lageraußenring 4 (Entsprechendes gilt für den Lagerinnenring) auch von seiner anderen Stirnseite her kontaktiert und mit einem Kabel versehen wird.
  • Wird allerdings nur der gestrichelt dargestellte Kontakt beim Außenring 4 gewählt und der Innenring 3 in der dargestellten Weise mit einem Kabel versehen, fließt der Strom direkt durch die Wälzkörper 17, d. h. der Stromfluss wird in diesem Falle verbessert durch die Wälzkörper 17 geleitet, was die vorgeschlagenen Vorgehensweise unterstützt.
  • Beim weiteren Anziehen der Mutter 14 erhöht sich die Vorspannung. Damit werden die Lagerringe und Wälzkörper stärker zusammengepresst. Der elektrische Widerstand R sinkt somit.
  • Die Mutter 14 wird nunmehr so lange weiter angezogen, bis der elektrische Widerstand RIst (Ist-Wert) einem vorgegebenen Zielwert RSoll entspricht, der aus einer Kalibriermessung gewonnen wurde.
  • Somit kann der gewünschte Grad der Vorspannung in einfacher Weise eingestellt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lageranordnung
    2
    Wälzlager
    3
    Lagerinnenring
    4
    Lageraußenring
    5
    Anbauteil (Welle)
    6
    Anbauteil (Gehäuse)
    7
    nichtisolierte Stelle
    8
    nichtisolierte Stelle
    9
    Stirnseite
    10
    Stirnseite
    11
    Widerstandsmessgerät
    12
    elektrische Verbindung
    13
    elektrische Verbindung
    14
    Einstellmöglichkeit (Mutter)
    15
    elektrische Isolation des Lagerinnenrings
    16
    elektrische Isolation des Lageraußenrings
    17
    Wälzkörper
    RIst
    elektrischer Widerstand
    Rsoll
    Zielwert für den elektrischen Widerstand

Claims (10)

  1. Verfahren zur Einstellung der Vorspannung in einer Lageranordnung (1), wobei die Lageranordnung (1) mindestens ein Wälzlager (2) mit mindestens einem Lagerinnenring (3) und mindestens einem Lageraußenring (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Lagervorspannung durch die Durchführung folgender Schritte erfolgt: a) Erhöhung der Vorspannung in der Lageranordnung (1) ausgehend von einem unteren Startwert oder Vermindern der Vorspannung in der Lageranordnung (1) ausgehend von einem oberen Startwert und gleichzeitiges Messen des elektrischen Widerstands (RIst) zwischen dem Lagerinnenring (3) und dem Lageraußenring (4); b) Beenden der Veränderung der Vorspannung in der Lageranordnung (1) sobald ein Zielwert (Rsoll) für den elektrischen Widerstand erreicht ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zielwert (RSoll) für den elektrischen Widerstand durch eine Kalibriermessung an der Lageranordnung (1) oder an einer im wesentlichen baugleichen Lageranordnung ermittelt wird, wobei der Zielwert definiert wird als elektrischer Widerstand, der vorliegt, wenn die gewünschte Vorspannung in der Lageranordnung herrscht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe (3, 4) mit einer elektrischen Isolation versehen werden, so dass sie elektrisch isoliert zu ihren jeweiligen Anbauteilen (5, 6) sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe (3, 4) an mindestens einer Stelle (7, 8) frei von der elektrischen Isolation gehalten werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelle (7, 8), an der die Lagerringe (3, 4) frei von der elektrischen Isolation gehalten werden, eine Stirnseite (9, 10) der Lagerringe (3, 4) ist.
  6. Lageranordnung (1) mit einer Einrichtung zur Einstellung der Vorspannung in ihr, wobei die Lageranordnung (1) mindestens ein Wälzlager (2) mit mindestens einem Lagerinnenring (3) und mindestens einem Lageraußenring (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Einstellung der Vorspannung umfasst: – ein Widerstandsmessgerät (11) zur Messung des elektrischen Widerstands (RIst) zwischen dem Lagerinnenring (3) und dem Lageraußenring (4); – eine elektrische Verbindung (12) zwischen dem Widerstandsmessgerät (11) und dem Lagerinnenring (3) und eine elektrische Verbindung (13) zwischen dem Widerstandsmessgerät (11) und dem Lageraußenring (4); – eine Einstellmöglichkeit (14) für die Vorspannung in der Lageranordnung (1).
  7. Lageranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerinnenring (3) mit einer elektrischen Isolation (15) versehen ist, so dass er elektrisch isoliert zu seinem Anbauteil (5) ist.
  8. Lageranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lageraußenring (4) mit einer elektrischen Isolation (16) versehen ist, so dass er elektrisch isoliert zu seinem Anbauteil (6) ist.
  9. Lageranordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe (3, 4) an mindestens einer Stelle (7, 8) frei von der elektrischen Isolation sind.
  10. Lageranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelle (7, 8), an der die Lagerringe (3, 4) frei von der elektrischen Isolation gehalten werden, eine Stirnseite (9, 10) der Lagerringe (3, 4) ist.
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