DE102017112869B3

DE102017112869B3 - Messanordnung zur Erfassung von Käfigbelastungen

Info

Publication number: DE102017112869B3
Application number: DE102017112869.7A
Authority: DE
Inventors: Jens Heim
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-06-12
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2037-06-13
Also published as: WO2018228635A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung (03) zur Erfassung von Belastungen an einem Käfig (02), welcher Wälzkörper eines Wälzlagers aufnimmt. Die Messanordnung (03) beinhaltet eine zumindest abschnittsweise auf den Käfig (02) ausgebildeten Indikatorschicht (04) und eine auf der Indikatorschicht (04) ausgebildete spröde Schicht (05). Die spröde Schicht (05) besteht aus einem spröderen Material als der Käfig (02) und die Indikatorschicht (04). Die spröde Schicht (05) und die Indikatorschicht (04) weisen unterschiedliche optische und/oder elektrische Eigenschaften auf. Die Messanordnung (03) umfasst weiterhin mindestens eine Sensoreinheit (07) zur Erfassung der unterschiedlichen optischen und/oder elektrischen Eigenschaften von Indikatorschicht (04) und spröder Schicht (05).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Erfassung von Käfigbelastungen bei Wälzlagern.
Durch zu hoch belastete Käfige können Lagerkinematiken entstehen, die zur Schädigung der Wälzlager führen. Im schlimmsten Fall kann es zum Versagen des Käfigs kommen und in Folge dessen zum Ausfall des gesamten Lagers.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Käfigbelastungen mit auf den Käfig aufgeklebten Dehnungsmessstreifen zu messen und mittels Telemetrie auszuwerten. Diese Lösung bietet sich aus Kostengründen jedoch nur für Tests und nicht für den Serieneinsatz an.
US 2008 0159674 A1 und US 4 175 430 A ist jeweils bekannt, Belastungen eines Käfigs mit Hilfe von Wirbelstromsensoren zu erfassen.
In EP 3 009 824 A1 und JP H11-194058 A ist weiter bekannt, für die Erfassung der Belastung eines Käfigs Dehnungssensoren als Belastungssensoren einzusetzen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine für die Serienanwendung taugliche Messanordnung zur Erfassung von Belastungen an einem Käfig zur Verfügung zu stellen. Die Messanordnung sollte aufwandsarm in den Käfig integrierbar sein und während des Betriebs des Wälzlagers eine zuverlässige Erfassung der Käfigbelastungen ermöglichen, um drohende, beginnende oder vorhandene Schäden zeitnah erkennen zu können.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Messanordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße Messanordnung zur Erfassung von Belastungen an einem Käfig beinhaltet eine zumindest abschnittsweise auf dem Käfig ausgebildete Indikatorschicht. Auf der Indikatorschicht ist außerdem eine spröde Schicht aufgebracht, welche aus einem spröderen Material als der Käfig und die Indikatorschicht besteht. Die Sprödigkeit der beiden genannten Schichten unterscheidet sich derart, dass es bei mechanischen Belastungen oberhalb eines festgelegten Wertes zu einer Rissbildung in der spröden Schicht kommt, während die Indikatorschicht elastischer ist, sodass dort noch keine Risse auftreten. Die spröde Schicht und die Indikatorschicht weisen unterschiedliche optische und/oder elektrische Eigenschaften auf. Die Einrichtung umfasst weiterhin mindestens eine Sensoreinheit zur Erfassung der unterschiedlichen optischen und/oder elektrischen Eigenschaften von Indikatorschicht und spröder Schicht.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Messanordnung besteht darin, dass das verwendete Schichtsystem bestehend aus Indikatorschicht und spröder Schicht, eine zuverlässige Detektion von Käfigbelastungen ermöglicht. Bei hohen Spannungen im Käfigmaterial, oberhalb eines vorbestimmten Wertes, entstehen Risse in der spröden Schicht. Das Material der spröden Schicht wird entsprechend ausgewählt, um bei den vorbestimmten mechanischen Spannungen, die detektiert werden sollen, Rissbildung zu zeigen. Hierdurch kommt die unterhalb der spröden Schicht befindliche Indikatorschicht zum Vorschein, welche sich in ihren optischen und/oder elektrischen Eigenschaften von der spröden Schicht unterscheidet. Die damit im Gesamtsystem der Schichten geänderten optischen und/oder elektrischen Eigenschaften werden von der Sensoreinheit erfasst. Auf diese Weise können Käfigbelastungen rechtzeitig erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Der Käfig lässt sich aufwandsarm mit der Messanordnung zur Erfassung von Käfigbelastungen ausstatten.
Indikatorschicht und spröde Schicht sind vorzugsweise an den hochbelasteten Abschnitten des Käfigs angeordnet. Die hochbelasteten Abschnitte des Käfigs können hierfür im Vorfeld mittels geeigneter Tests oder Finite-Elemente-Methoden ermittelt werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, den Käfig komplett mit den beiden Schichten auszustatten. Der Käfig kann auch komplett aus einem Material bestehen, welches sich in seinen physikalischen Eigenschaften, insbesondere in der Sprödigkeit und in seinen optischen und/oder elektrischen Eigenschaften von der spröden Schicht unterscheidet. In diesem Fall würde die Oberfläche des Käfigs selbst als Indikatorschicht fungieren.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weisen Indikatorschicht und spröde Schicht neben unterschiedlicher Sprödigkeit auch unterschiedliche optische Eigenschaften auf. Die spröde Schicht besitzt besonders bevorzugt eine erste Farbe und die Indikatorschicht eine zweite Farbe. Die der spröden Schicht zugeordnete erste Farbe liegt vorzugsweise im Bereich eines Empfindlichkeitsmaximums eines ersten Farbsensors. Die der Indikatorschicht zugeordnete zweite Farbe liegt bevorzugt im Empfindlichkeitsmaximum eines zweiten Farbsensors. Die zweite Farbe ist von dem ersten Farbsensor vorzugsweise nicht oder kaum detektierbar, was z. B. durch geeignete optische Filter realisiert werden kann. Die beiden Farbsensoren sind gemäß einer bevorzugten Ausführung integraler Bestandteil eines zur Detektion mehrerer Farben ausgebildeten Farbsensors. Der Farbsensor erfasst die Farbzustände über einen Zeitbereich und akkumuliert diese. Bei zunehmender Rissbildung in der spröden Schicht steigt das Verhältnis zwischen den Messwerten des ersten und des zweiten Sensors an. Dieses Verhältnis ist somit ein Maß für die Schädigung des Käfigs.
Für die Erfassung der Farbsensordaten hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Messanordnung mit einer Lichtquelle zum Beleuchten des Käfigs auszustatten. Die Lichtquelle ist vorzugsweise als monochromatische Lichtquelle ausgebildet, welche bevorzugt monochromatisches Licht im Wellenlängenbereich der Indikatorschicht aussendet. Auf diese Weise wird das Verhältnis zwischen den Messwerten des zweiten und des ersten Farbsensors maximiert, wodurch die Auswertung der Farbsensordaten erleichtert wird.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform besitzen die Indikatorschicht und die spröde Schicht unterschiedliche elektrische Eigenschaften. Die spröde Schicht ist bevorzugt eine elektrisch leitende Schicht, während die Indikatorschicht vorzugsweise als Isolatorschicht ausgebildet ist. Die Sensoreinheit umfasst bei dieser Ausführung bevorzugt mindestens einen Wirbelstromsensor. Im rissfreien Fall wird durch die spröde Schicht bei Abtastung mit dem Wirbelstromsensor ein gleichmäßiges Signal erzeugt. Risse in der spröden Schicht, aufgrund auftretender mechanischer Spannungen, führen hingegen zu Abweichungen im Signal, die ausgewertet werden können. Als vorteilhaft hat sich die Verwendung von zwei Wirbelstromsensoren zur Detektion einander gegenüberliegender Käfigabschnitte erwiesen. Durch Nutzung derart angeordneter Wirbelstromsensoren können Abstandsänderungen kompensiert werden, welche sonst ebenfalls eine Signaländerung bewirken würden und das Signal somit verfälschen würden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Sensoreinheit mit einer Auswerteeinheit verbunden sein. In diesem Zusammenhang hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Sensoreinheit mit einem Anschlusskabel zum Anschluss an eine Auswerteeinheit auszustatten. Es sind jedoch auch alternative Ausführungsformen möglich, bei denen die Datenübertragung zur Auswerteeinheit nicht über Kabel sondern drahtlos, vorzugsweise mittels Funksignal, beispielsweise über Bluetooth, erfolgt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Messanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer unbeschädigten spröden Schicht;
2 eine schematische Ansicht der Messanordnung gemäß der ersten Ausführungsform mit einer beschädigten spröden Schicht;
3 eine schematische Ansicht der Messanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einer unbeschädigten spröden Schicht;
4 eine schematische Ansicht der Messanordnung gemäß der zweiten Ausführungsform mit einer beschädigten spröden Schicht;
5 eine Vorderansicht der Messanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform;
6 eine Seitenansicht der Messanordnung gemäß einer vierten Ausführungsform.
Die 1 und 2 zeigen schematische Ansichten der erfindungsgemäßen Messanordnung 03 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Messanordnung 03 dient zur Erfassung von Belastungen an einem Käfig 02, welcher Wälzkörper (nicht dargestellt) eines Wälzlagers aufnimmt. Die Messanordnung 03 beinhaltet zunächst eine zumindest abschnittsweise auf dem Käfig 02 ausgebildete Indikatorschicht 04. Auf der Indikatorschicht 04 befindet sich eine spröde Schicht 05. Die spröde Schicht 05 besteht aus einem spröderen Material als der Käfig 02 und die Indikatorschicht 04. Die Indikatorschicht 04 kann dieselbe oder eine geringere Sprödigkeit als der Käfig 02 aufweisen. Stattdessen ist die Sprödigkeit der spröden Schicht 05 nennenswert größer als die des Käfigs, sodass die spröde Schicht 05 bei auftretenden mechanischen Spannungen jedenfalls deutlich früher Risse zeigt, als dass es zu einer mechanischen Beschädigung des Käfigs kommt.
Spröde Schicht 05 und Indikatorschicht 04 unterscheiden sich bei der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform außerdem darin, dass sie unterschiedliche optische Eigenschaften besitzen. So weist die spröde Schicht 05 eine erste Farbe und die Indikatorschicht 04 eine zweite Farbe auf. Spröde Schicht 05 und Indikatorschicht 04 sind vorzugsweise an den während des Betriebs hochbelasteten Stellen des Käfigs 02 angeordnet.
Die Messanordnung 03 umfasst weiterhin eine Sensoreinheit 07, welche zum Erfassen der ersten und der zweiten Farbe dient. Die Sensoreinheit 07 ist feststehend angeordnet, beispielsweise am feststehenden Wälzlagerring, und der Käfig 02 bewegt sich mit der Schichtenfolge an der Sensoreinheit vorbei. Der Käfig 02 wird mittels einer Lichtquelle 08 beleuchtet. Die Lichtquelle 08 ist bevorzugt eine monochromatische Lichtquelle. Von der Lichtquelle 08 werden Lichtstrahlen 09 in Richtung Käfig 02 gesandt. Bei dem in 1 dargestellten Fall der unbeschädigten spröden Schicht 05 gelangen die Lichtstrahlen 09 auf die spröde Schicht 05 und werden an der spröden Schicht 05 reflektiert. Reflektierte Lichtstrahlen 10 werden durch die Sensoreinheit 07 erfasst.
Kommt es während des Betriebs eines mit der Messanordnung 03 ausgerüsteten Wälzlagers zu hohen mechanischen Belastungen, entstehen Risse 12 (siehe 2) in der spröden Schicht 05. Die Messanordnung 01 mit beschädigter spröder Schicht 05 ist in 2 gezeigt. Die von der Lichtquelle 08 ausgesandten Lichtstrahlen 09 treffen im Bereich der Risse 12 auf die Indikatorschicht 04 auf und werden dort reflektiert. Das Erfassen der von der Indikatorschicht reflektierten Lichtstrahlen 10 erfolgt wiederum mit Hilfe der Sensoreinheit 07. Bei zunehmender Rissbildung in der spröden Schicht 05 treffen immer mehr Strahlen auf die Indikatorschicht 04 und werden von dieser reflektiert. Auf die spröde Schicht 05 gelangen dagegen weniger Lichtstrahlen 09. Dadurch, dass Indikatorschicht 04 und spröde Schicht 05 unterschiedliche Farben aufweisen, werden die Lichtstrahlen 09 unterschiedlich reflektiert. Somit kann aufwandsarm erfasst werden, wie groß die Anteile der an der Indikatorschicht 09 und der an der spröden Schicht 05 reflektierten Lichtstrahlen 10 bzw. 10' sind. Durch entsprechende Auswertung der erfassten Messdaten kann somit zeitnah und mit vergleichsweise geringem Aufwand die jeweils aktuelle Schädigung der spröden Schicht 05 und damit indirekt die am Käfig 02 aufgetretene übermäßige Belastung ermittelt werden.
Die Sensoreinheit 07 ist mit einer Auswerteeinheit (nicht gezeigt) zur Auswertung der erfassten Sensordaten verbunden.
Die 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform der Messanordnung 03. Im Unterschied zu der zuvor beschrieben Ausführungsform besitzen spröde Schicht 05 und Indikatorschicht 04 hier unterschiedliche elektrische Eigenschaften. Die spröde Schicht 05 ist als elektrisch leitende Schicht ausgebildet, während die Indikatorschicht 04 als Isolatorschicht ausgeführt ist. Die Sensoreinheit 07 umfasst einen Wirbelstromsensor. Bei unbeschädigter spröder Schicht (siehe 3) wird bei Abtastung durch den Wirbelstromsensor ein gleichmäßiges Sensorsignal erzeugt. Durch Risse 12 in der spröden Schicht 05 (siehe 4) kommt es zu Abweichungen im Signal des Wirbelstromsensors, wodurch wiederrum ein Maß für die Schädigung bzw. Belastung des Käfigs 02 zur Verfügung steht.
5 zeigt eine Vorderansicht der Messanordnung 03 gemäß einer dritten Ausführungsform. Diese Ausführung unterscheidet sich von der Ausführung gemäß 3 und 4 dadurch, dass die Sensoreinheit 07 zwei Wirbelstromsensoren umfasst. Die Wirbelstromsensoren sind auf einander gegenüberliegenden Abschnitten der Außenmantelfläche des Käfigs 02 angeordnet. Durch die Verwendung derart angeordneter Wirbelstromsensoren können Signaländerungen aufgrund von Abstandsänderungen zwischen Käfig und Sensoreinheit, die aufgrund von nicht exakt zentriertem Lauf des Käfigs auftreten können, ausgeglichen werden.
Die in 6 dargestellte vierte Ausführungsform nutzt zwei Wirbelstromsensoren, welche auf einander gegenüberliegenden Abschnitten der Seitenflächen des Käfigs 02 angeordnet sind. Auf diese Weis können aus einer axialen Verlagerung des Käfigs resultierende Störsignale ausgefiltert werden.
Bezugszeichenliste

01
02: Käfig
03: Messanordnung zur Erfassung von Käfigbelastungen
04: Indikatorschicht
05: spröde Schicht
06
07: Sensoreinheit
08: Lichtquelle
09: ausgesandte Lichtstrahlen
10: reflektierte Lichtstrahlen
11
12: Risse

Claims

Messanordnung (03) zur Erfassung von Belastungen an einem Käfig (02), welcher Wälzkörper eines Wälzlagers aufnimmt, umfassend: • eine zumindest abschnittsweise auf dem Käfig (02) ausgebildete Indikatorschicht (04), • eine auf der Indikatorschicht (04) ausgebildete spröde Schicht (05), wobei die spröde Schicht (05) aus einem spröderen Material als der Käfig (02) und die Indikatorschicht (04) besteht, wobei die spröde Schicht (05) und die Indikatorschicht (04) unterschiedliche optische und/oder elektrische Eigenschaften aufweisen, und wobei bei Spannungen im Käfig (02) oberhalb eines vorbestimmten Wertes Risse in der spröden Schicht (05) entstehen und die dadurch entstehenden Änderungen der optischen und/oder elektrischen Eigenschaften im aus Indikatorschicht (04) und spröder Schicht (05) gebildeten Gesamtsystem ein Maß für die Belastungen an dem Käfig (02) sind, • mindestens eine Sensoreinheit (07) zur Erfassung der unterschiedlichen optischen und/oder elektrischen Eigenschaften von Indikatorschicht (04) und spröder Schicht (05).
Messanordnung (03) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikatorschicht (04) und die spröde Schicht (05) mindestens an den mechanisch hochbelasteten Abschnitten des Käfigs (02) angeordnet sind.
Messanordnung (03) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Käfigs (02) selbst als Indikatorschicht (04) ausgebildet ist.
Messanordnung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die spröde Schicht (05) eine erste Farbe und die Indikatorschicht (04) eine zweite Farbe aufweist, und dass die Sensoreinheit (07) zum Erfassen der ersten und der zweiten Farbe ausgebildet ist.
Messanordnung (03) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Lichtquelle (08) zum Beleuchten der auf dem Käfig (02) aufgebrachten Schichten (04, 05) aufweist.
Messanordnung (03) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (08) als monochromatische Lichtquelle ausgebildet ist.
Messanordnung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die spröde Schicht (05) als elektrisch leitende Schicht und die Indikatorschicht (04) als Isolatorschicht ausgebildet ist.
Messanordnung (03) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (07) mindestens einen Wirbelstromsensor umfasst.
Messanordnung (03) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (07) zwei Wirbelstromsensoren zur Detektion einander gegenüberliegender Käfigabschnitte aufweist.
Messanordnung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (07) mit einer Auswerteeinheit verbindbar ist.