DE102015217139B4

DE102015217139B4 - Wälzlageranordnung

Info

Publication number: DE102015217139B4
Application number: DE102015217139.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Nuissl; Martin Schoplocher
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2035-09-09
Also published as: DE102015217139A1

Abstract

Wälzlageranordnung (1), umfassend ein Wälzlager (3) und ein hülsenförmiges Sensorelement (2), wobei das Wälzlager (3) einen Lagerinnenring (4), einen Lageraußenring (5), sowie dazwischen angeordnete Wälzkörper (6) aufweist, wobei das Sensorelement (2) radial am Wälzlager (3) angeordnet ist und eine Messfolie (9) aufweist, und wobei das Sensorelement (2) kraft- oder formschlüssig mit dem Wälzlager (3) verbunden ist, wobei das Sensorelement (2) als ein hülsenförmiges Blechpaket ausgebildet ist, das zwei metallische Hülsen (7) aufweist, zwischen denen die Messfolie (9) angeordnet ist, wobei die metallischen Hülsen (7) samt der Messfolie (9) mittels eines Umformprozesses in die Hülsenform gebracht sind. Neben der Wälzlageranordnung (1) wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Wälzlageranordnung (1) sowie deren Verwendung beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung mit einem Wälzlager und einem hülsenförmigen Sensorelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Wälzlageranordnung sowie deren Verwendung.
In der DE 42 18 949 A1 ist ein Wälzlager offenbart, das eine Kraftmesseinrichtung aufweist, wobei der Lagerring unmittelbar oder das Wälzlager mittelbar über ein Zwischenglied mit einem Sensorelement, ausgebildet als eine alle Arten von Kraftbeaufschlagungen erfassende Kraftmessfolie, in Verbindung steht. Die Kraftmessfolie ist dabei in beliebig ausgebildete Ausnehmungen an Wälzlagern oder in mit Wälzlagern in Verbindung stehenden beziehungsweise das ganze Lager umschließende Zwischenglieder einsetzbar.
In der WO 2015/062593 A1 sowie in der EP 0 534 537 A1 sind verschiedene Verfahren zur Ermittlung einer zwischen einem Tragkörper und einem auf dem Tragkörper montierten Wälzlager einer Lageranordnung wirkenden Vorspannkraft offenbart, die ebenfalls eine Kraftmessfolie verwenden.
Die DE 42 18 949 A1 beschreibt ein Kraftmesslager beziehungsweise ein Wälzlager mit einer Kraftmesseinrichtung. Dabei ist ein Sensorelement in Form einer Kraftmessfolie vorgesehen.
Die DE 69 42 222 U offenbar einen zylindrischen Käfig zur Aufnahme von Rollen.
Die DE 197 12 655 A1 beschreibt einen spanlos hergestellten mechanische Ventilstößel.
Die DE 22 52 760 A offenbart einen Topfstößel zur Ventilbetätigung von Kraftmaschinen und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wälzlageranordnung mit einem Sensorelement so weiterzuentwickeln, dass das Sensorelement eine lange Lebensdauer erreicht und die Montage sowie der Herstellungsprozess der Wälzlageranordnung vereinfacht werden.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird die im Anspruch 1 angegebene Wälzlageranordnung, das Verfahren zur Herstellung einer solchen Wälzlageranordnung im Anspruch 7 sowie dessen Verwendung im Anspruch 10 vorgeschlagen. Optionale vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich ganz oder teilweise aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Wälzlageranordnung umfasst ein Wälzlager und ein hülsenförmiges Sensorelement, wobei das Wälzlager einen Lagerinnenring, einen Lageraußenring, sowie dazwischen angeordnete Wälzkörper aufweist. Das Sensorelement ist radial am Wälzlager angeordnet und weist eine Messfolie auf, wobei das Sensorelement kraft- oder formschlüssig mit dem Wälzlager verbunden ist. Die Wälzlageranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass das Sensorelement als ein hülsenförmiges Blechpaket ausgebildet ist, das zwei metallische Hülsen aufweist, zwischen denen die Messfolie angeordnet ist, wobei die metallischen Messhülsen samt der Messfolie mittels eines Umformprozesses in die Hülsenform gebracht sind.
Die zwei metallischen Hülsen können dabei an einer Stirnseite formschlüssig miteinander verbunden sein. Dies kann dadurch erreicht werden, wenn das Ausgangsmaterial ein Blechstreifen ist, auf den die Messfolie gelegt wird. Anschließend wird der Blechstreifen um 180° gebogen, so dass die Messfolie von mindestens drei Seiten umschlossen ist. Das dadurch entstandene Blechpaket wird danach gebogen, so dass eine Hülsenform entsteht. Die Messfolie ist dabei vorzugsweise so zwischen den beiden Hülsen eingebettet, dass diese gegenüber Umwelteinflüsse dauerhaft geschützt ist.
Die metallischen Hülsen sind vorzugsweise als Blechteile ausgebildet. Die Blechdicke ist dabei vorzugsweise kleiner als 1,5 mm. Die metallischen Hülsen können dabei beispielsweise aus Stahl oder Buntmetall bestehen. Des Weiteren können alle Lagerbauarten, wie zum Beispiel Kugellager, Tonnenlager, Kegelrollenlager, Zylinderrollenlager und Nadellager, in der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung verwendet werden.
Vorzugsweise weist die Messfolie piezoelektrische Eigenschaften auf. Der piezoelektrische Effekt beschreibt das Zusammenspiel von mechanischem Druck und elektrischer Spannung in Festkörpern. Das heißt, bei einer Verformung des Festkörpers ändert sich die Polarisation, wodurch elektrische Spannungen an der Oberfläche auftreten. Solche Eigenschaften weist zum Beispiel der Werkstoff Polyvinylidenfluorid (kurz PVDF) auf. Es ist somit vorteilhaft, wenn die Messfolie als PVDF-Folie ausgebildet ist. Die Messfolie weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 0,2 mm, insbesondere 0,15 mm bis 0,18 mm, auf.
Insbesondere ist das Sensorelement am Lageraußenring und/oder am Lagerinnenring angeordnet.
Neben der Wälzlageranordnung wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Wälzlageranordnung beansprucht. Die Wälzlageranordnung umfasst ein Wälzlager sowie ein Sensorelement, wobei das Sensorelement eine Messfolie aufweist. Die Messfolie wird zwischen zwei metallischen Blechen eingelegt, wodurch ein Blechpaket entsteht, das mittels eines Umformprozesses in eine Hülsenform gebracht wird. Das umgeformte, hülsenförmige Blechpaket wird als Sensorelement bezeichnet. Anschließend wird das Sensorelement kraft- oder formschlüssig mit dem Wälzlager verbunden. Das heißt, dass das Sensorelement beispielsweise am Lagerinnenring oder am Lageraußenring angeordnet sein kann.
Als Umformprozess kann beispielsweise das Blechpaket in die Hülsenform gebogen werden. Dabei wird das Blechpaket gebogen und zu einer Hülse aufgewickelt, wodurch eine offene Nahtstelle oder ein Längsschlitz entsteht. Das umgeformte Blechpaket, auch Sensorelement genannt, wird anschließend vorzugsweise auf ein Trägerelement, insbesondere auf eine Welle, aufgeschoben. Im Anschluss daran wird radial auf das Sensorelement das Wälzlager aufgepresst. Dadurch wird das Sensorelement fest fixiert. Ebenfalls könnte das Sensorelement in eine Bohrung eines Gehäuseteils eingelegt werden. Radial innerhalb des Sensorelements würde dann anschließend das Wälzlager eingepresst werden, so dass das Sensorelement vom Wälzlager und Gehäuseteil fixiert wird. Dieser Umformprozess bietet sich vor allem für größere Durchmesser an.
Eine weitere Möglichkeit stellt der Umformprozess Tiefziehen dar. Das Blechpaket kann beispielsweise mittels Tiefziehen in eine Napfform gebracht werden, bei der anschließend der Boden abgetrennt wird, so dass eine Hülsenform entsteht. Dadurch weist das Sensorelement eine in Umfangsrichtung geschlossene Hülsenform auf und kann somit auf ein Trägerelement, insbesondere auf eine Welle oder auf den Lageraußenring des Wälzlagers aufgepresst werden. Ferner könnte das Sensorelement in die Bohrung eines Gehäuseteils eingepresst werden. Dieser Umformprozess bietet sich vor allem für kleinere Durchmesser an.
Die beschriebene Wälzlageranordnung soll für Tretlager, insbesondere für Fahrräder, im Automobilbereich, bei landwirtschaftlichen Geräten oder in der Industrie, Verwendung finden.
Das Sensorelement ist beispielsweise über Leitungen oder die Messfolie selbst mit einer Auswerteeinheit verbunden, um die Messwerte zu übertragen. Denkbar ist auch eine berührungslose Übertragung der Messwerte. Die Auswerteeinheit ist idealerweise in die Gesamtelektronik der Anwendung integriert und wird dort für die jeweils erforderliche Funktion genutzt.
Des Weiteren ist es auch denkbar, dass die beschriebene Wälzlageranordnung mittels der piezoelektrischen Messfolie in der Aktorik Anwendung findet. Dabei können beispielsweise auftretende Schwingungen erkannt und aktiv gedämpft werden.
Die Messfolie ist, wie bereits beschrieben, von zwei Hülsen radial umgeben. Dadurch wird die Messfolie vor störenden Umwelteinflüssen oder mechanischen Einflüssen geschützt. Die Messfolie kann beispielsweise während der Montage des Sensorelements nicht zerkratzt werden. Ebenfalls übt die Wärmeausdehnung keinen negativen Einfluss auf die Wälzlageranordnung aus. Des Weiteren ist das Sensorelement langzeitstabiler als eventuelle Ausführungen mit Kunststoffhülsen. Eine Härtung der metallischen Hülsen ist ebenfalls nicht erforderlich. Ferner ist das Sensorelement hinsichtlich dessen Anordnung sehr flexibel, so dass beispielsweise abhängig von den Bauraumanforderungen der Wälzlageranordnung das Sensorelement entweder am Lagerinnenring oder am Lageraußenring und/oder an der Welle oder an einem Gehäuseteil angeordnet werden kann. Eine bevorzugte Ausführung des Sensorelements umschließt die Messfolie vollständig, wodurch Wasser- und Feuchtigkeitseintritt verhindert wird.
Weiterhin muss die Messfolie nicht den kompletten Umfang des Sensorelements umfassen. Es ist ebenfalls denkbar, dass sich die Messfolie nur über einen Bereich, beispielsweise nicht mehr als 120°, erstreckt. Die Messfolie ist in der Anwendung so platziert, dass die Reaktionskräfte des Lagers entsprechend detektiert werden können. Die offene Nahtstelle des Sensorelements in der gebogenen Ausführungsform würde dabei gegenüber der Messfolie liegen und somit entgegen der Kraftrichtung der Anwendung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale, Merkmalskombinationen und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus den Zeichnungen. Diese zeigen in:
1 eine Wälzlageranordnung, bei der das Sensorelement mit dem Lagerinnenring verbunden ist,
2 eine Wälzlageranordnung, bei der das Sensorelement mit dem Lageraußenring verbunden ist,
3 eine beispielhafte Ausführungsform eines Sensorelements.
In der 1 und 2 sind erfindungsgemäße Wälzlageranordnungen 1 jeweils in Schnittansicht dargestellt. Die Wälzlageranordnung 1 umfasst dabei ein Sensorelement 2 sowie ein Wälzlager 3, hier Kugellager, mit einem Lagerinnenring 4, einem Lageraußenring 5 sowie einer Vielzahl dazwischen angeordneter Wälzkörper 6 in Form von Kugeln.
Das Sensorelement 2 besteht aus zwei in radialer Richtung übereinander angeordneten Hülsen 7, in deren Zwischenraum 8 eine Messfolie 9 eingelegt ist. Die Messfolie 9 ist in axialer Richtung kürzer als die axiale Länge des Wälzlagers 3. Die beiden Hülsen 7 hingegen ragen in dieser Ausführungsform axial über das Wälzlager 3 hinaus, könnten jedoch auch bündig mit dem Wälzlager 3 abschließen.
In der 1 ist ein Sensorelement 2 dargestellt, dass mittels Biegen in die Hülsenform gebracht wurde. Hierbei wurde auf ein Blechstreifen die Messfolie 9 so aufgelegt, dass die Messfolie 9 nur eine Hälfte des Blechstreifens verdeckt. Anschließend wurde der Blechstreifen an seiner Mittellinie in Längsrichtung um 180° gebogen, so dass die Messfolie 9 von drei Seiten des Blechstreifens umschlossen ist. Im Anschluss daran wurde das dadurch entstandene Blechpaket in eine Hülsenform gebogen, wodurch das Sensorelement 2 entstand. Das Sensorelement 2 wurde auf eine Welle 10 aufgeschoben und weist eine offene Nahtstelle, hier nicht dargestellt, auf. Das Wälzlager 3 ist auf dem Sensorelement 2 aufgepresst, so dass dadurch das Sensorelement 2 auf der Welle 10 fest fixiert wird. Das Wälzlager 3 ist dabei axial mittig zum Sensorelement 2 angeordnet. Somit ist der Lagerinnenring 4 mit dem Sensorelement 2 und der Lageraußenring 5 mit einem Gehäuseteil 11 fest verbunden.
In der 2 hingegen handelt es sich um ein Sensorelement 2, dass mittels Tiefziehen in die Hülsenform umgeformt wurde. Das Sensorelement 2 ist in eine Bohrung 12 des Gehäuseteils 11 eingepresst. In das Sensorelement 2 wiederum ist das Wälzlager 3 eingepresst, so dass der Lageraußenring 5 des Wälzlagers 3 mit dem Sensorelement 2 drehfest verbunden ist. Der Lagerinnenring 4 des Wälzlagers 3 ist des Weiteren auf der Welle 10 aufgepresst. Das heißt, dass der Lagerinnenring 4 mit der Welle 10 und der Lageraußenring 5 mit dem Sensorelement 2 fest verbunden ist. Das Wälzlager 3 und das Sensorelement 2 werden somit von der Welle 10 und dem Gehäuseteil 11 radial eingeschlossen und fixiert.
In der 3 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines mittels Biegen hergestelltes Sensorelement 2 dargestellt. Das Sensorelement 2 weist in dieser Ausführungsform eine Messfolie 9 auf, die sich im Zwischenraum 8, das heißt zwischen den zwei Hülsen 7, über einen Bereich von ungefähr 90° erstreckt. Die Messfolie 9 ist des Weiteren auf der gegenüberliegenden Seite der offenen Nahtstelle 13, die sich durch den Biegeumformprozess ergibt, angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlageranordnung
2: Sensorelement
3: Wälzlager
4: Lagerinnenring
5: Lageraußenring
6: Wälzkörper
7: Hülse
8: Zwischenraum
9: Messfolie
10: Welle
11: Gehäuseteil
12: Bohrung im Gehäuseteil
13: Offene Nahtstelle

Claims

Wälzlageranordnung (1), umfassend ein Wälzlager (3) und ein hülsenförmiges Sensorelement (2), wobei das Wälzlager (3) einen Lagerinnenring (4), einen Lageraußenring (5), sowie dazwischen angeordnete Wälzkörper (6) aufweist, wobei das Sensorelement (2) radial am Wälzlager (3) angeordnet ist und eine Messfolie (9) aufweist, und wobei das Sensorelement (2) kraft- oder formschlüssig mit dem Wälzlager (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) als ein hülsenförmiges Blechpaket ausgebildet ist, das zwei metallische Hülsen (7) aufweist, zwischen denen die Messfolie (9) angeordnet ist, wobei die metallischen Hülsen (7) samt der Messfolie (9) mittels eines Umformprozesses in die Hülsenform gebracht sind.
Wälzlageranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfolie (9) piezoelektrische Eigenschaften aufweist.
Wälzlageranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfolie (9) als Polyvinylidenfluorid-(PVDF-)Folie ausgebildet ist.
Wälzlageranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Hülsen (7) als Blechteile ausgebildet sind.
Wälzlageranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) am Lageraußenring (5) und/oder am Lagerinnenring (4) angeordnet ist.
Wälzlageranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hülsen (7) aus einem Blechstreifen gebildet sind, der mittig in Längsrichtung um 180° umgebogen ist.
Verfahren zur Herstellung einer Wälzlageranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche ein Wälzlager (3) sowie ein Sensorelement (2) umfasst und wobei das Sensorelement (2) eine Messfolie (9) aufweist, wobei die Messfolie (9) zwischen zwei metallischen Blechen eingelegt wird, wodurch ein Blechpaket entsteht, das mittels eines Umformprozesses in eine Hülsenform gebracht wird, und wobei das umgeformte, hülsenförmige Blechpaket, das als Sensorelement (2) bezeichnet wird, kraft- oder formschlüssig mit dem Wälzlager (3) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechpaket zum hülsenförmigen Sensorelement (2) gebogen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechpaket mittels Tiefziehen in eine Napfform gebracht wird, bei der anschließend der Boden abgetrennt wird, so dass das hülsenförmige Sensorelement (2) entsteht.
Verwendung der Wälzlageranordnung (1) nach den Ansprüchen 1 bis 6 für Tretlager, insbesondere für Fahrräder.