DE102017120594A1 - Measuring arrangement for determining at least one state variable in a rolling bearing - Google Patents

Measuring arrangement for determining at least one state variable in a rolling bearing Download PDF

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Abstract

Wälzlager weisen üblicherweise einen Innenring, einen Außenring sowie dazwischen angeordnete Wälzkörpern auf, welche auf dem Innenring und dem Außenring abwälzen. Idealerweise sollten die Wälzkörper auf dem Innenring bzw. auf dem Außenring schlupffrei abrollen.Es wird eine Messanordnung 3 zur Ermittlung von mindestens einer Zustandsgröße v1, v2, v3, n bei einem Wälzlager, wobei die Zustandsgröße v1, v2, v3, n eine Stirnoberflächengeschwindigkeit v1 von einer der Rollen 1 in dem Wälzlager umfasst, wobei die Rollen 1 um die Rollenachse RA rotierbar sind und/oder in Umlaufrichtung um eine Lagerachse des Wälzlagers bewegbar sind, vorgeschlagen mit einem ersten Sensor 4 zur Ausgabe von ersten Messdaten M1 und mit einem zweiten Sensoren 5 zur Ausgabe von zweiten Messdaten M2, wobei die Sensoren 4,5 in Umlaufrichtung um die Lagerachse um einen örtlichen Versatz nacheinander anordbar sind, und mit einer Auswerteeinrichtung 6, wobei die Auswerteeinrichtung 6 ausgebildet ist, durch Vergleich der ersten und der zweiten Messdaten M1, M2 einen zeitlichen Versatz delta_tw zwischen den ersten und den zweiten Messdaten M1, M2 zu bestimmen und auf Basis des zeitlichen Versatzes delta_tw und des örtlichen Versatzes die Stirnoberflächengeschwindigkeit v1 zu bestimmen.Rolling bearings usually have an inner ring, an outer ring and arranged therebetween rolling elements, which roll on the inner ring and the outer ring. Ideally, the rolling elements should roll freely on the inner ring or on the outer ring. A measuring arrangement 3 for determining at least one state variable v1, v2, v3, n in a rolling bearing, wherein the state variable v1, v2, v3, n is an end surface velocity v1 of one of the rollers 1 in the rolling bearing, wherein the rollers 1 are rotatable about the roller axis RA and / or are movable in the circumferential direction about a bearing axis of the rolling bearing, proposed with a first sensor 4 for outputting first measurement data M1 and with a second sensors 5 for outputting second measured data M2, wherein the sensors 4, 5 can be arranged in the direction of rotation about the bearing axis one after the other by a local offset, and with an evaluation device 6, wherein the evaluation device 6 is formed by comparing the first and the second measured data M1, M2 to determine a time offset delta_tw between the first and second measurement data M1, M2 and Ba sis the temporal offset delta_tw and the local offset to determine the front surface velocity v1.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Ermittlung von mindestens einer Zustandsgröße bei einem Wälzlager mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a measuring arrangement for determining at least one state variable in a rolling bearing having the features of the preamble of claim 1.

Wälzlager weisen üblicherweise einen Innenring, einen Außenring sowie dazwischen angeordnete Wälzkörpern auf, welche auf dem Innenring und dem Außenring abwälzen. Idealerweise sollten die Wälzkörper auf dem Innenring bzw. auf dem Außenring schlupffrei abrollen. Aufgrund von geometrischen Gegebenheiten, wie zum Beispiel, dass der Laufbahndurchmesser am Außenring größer als der Laufbanddurchmesser Innenring ist, ergibt sich zwangsläufig ein gewisser Schlupf. In radial belasteten Wälzlager kommt es zudem in lastfreien Zonen, in denen die Wälzkörpern nur unzureichend belastet sind, zu einem Verlust der „Traktion“ und somit zu einem weiteren Aufbau von einem Wälzkörper-Schlupf. Der Wälzkörper-Schlupf hängt zudem von der Schmierungssituation (Schmierstoffmenge, Viskosität, usw.) als auch von der Belastungssituation (Dynamik, Vorspannung, usw.) ab. Der Wälzkörper-Schlupf kann verantwortlich für Verschleiß-, Anschmierungs- und WEC-Schäden an Wälzlager sein.Rolling bearings usually have an inner ring, an outer ring and arranged therebetween rolling elements, which roll on the inner ring and the outer ring. Ideally, the rolling elements should roll on the inner ring or on the outer ring without slip. Due to geometrical conditions, such as that the raceway diameter on the outer ring is greater than the inner diameter of the treadmill diameter, there is inevitably some slip. In radially loaded roller bearings, there is also a loss of "traction" in load-free zones, in which the rolling elements are loaded only insufficient, and thus to a further structure of a rolling element slippage. The rolling element slip also depends on the lubrication situation (lubricant quantity, viscosity, etc.) as well as on the load situation (dynamics, preload, etc.). The rolling element slip can be responsible for wear, lubrication and WEC damage to rolling bearings.

Zur Bestimmung des Wälzkörper-Schlupfs kann die Rollendrehzahl gemessen werden. Die Druckschrift DE 10 2014 214 178 A1 beschreibt ein Verfahren zur Messung einer Drehzahl eines in einem Wälzlager angeordneten Wälzkörpers, bei welchem durch den sowohl um dessen Wälzkörperachse als auch um eine dazu parallele Wälzlagerachse rotierenden und mit einem zumindest teilweise senkrecht zur Wälzkörperachse orientierten Magnetfeld behafteten Wälzkörper ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, dessen magnetische Feldstärke durch einen Magnetfeldsensor in ein elektrisches Spannungssignal umgeformt wird, das mit einer Abtastfrequenz gemessen wird und zur Errechnung mindestens einer Drehzahl algorithmisch ausgewertet wird, wobei als Teil der algorithmischen Auswertung eine Demodulation des abgetasteten Spannungssignals durchgeführt wird.To determine the rolling element slip, the roller speed can be measured. The publication DE 10 2014 214 178 A1 describes a method for measuring a rotational speed of a rolling element arranged in a rolling bearing, in which by the both about its Wälzkörperachse and about a parallel rolling bearing axis rotating and with an at least partially oriented perpendicular to the rolling element axis magnetic field rolling body an alternating magnetic field is generated, the magnetic Field strength is converted by a magnetic field sensor into an electrical voltage signal which is measured at a sampling frequency and evaluated algorithmically for calculating at least one speed, wherein as part of the algorithmic evaluation, a demodulation of the sampled voltage signal is performed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zu Ermittlung zumindest der Rollendrehzahl vorzuschlagen, welche eine einfache Integration ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Meßanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie dem beigefügten Figuren.The invention has for its object to provide a measuring arrangement for determining at least the roller speed, which allows easy integration. This object is achieved by a measuring arrangement with the features of claim 1. Preferred or advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims, the following description and the accompanying figures.

Gegenstand der Erfindung ist eine Meßanordnung zur Ermittlung von mindestens einer Zustandsgröße bei einem Wälzlager. Das Wälzlager ist insbesondere als ein Rollenwälzlager ausgebildet und weist eine Mehrzahl von Rollen als Wälzkörper auf. Das Wälzlager definiert eine Lagerachse. Jede der Rollen definiert eine der jeweiligen Rolle zugeordnete Rollenachse, um die die jeweilige Rolle rotiert. Die Zustandsgröße ist insbesondere als eine Messgröße oder als eine abgeleitete Größe zur Beschreibung des Zustands, insbesondere des Bewegungszustands, des Wälzlagers ausgebildet. Die mindestens eine Zustandsgröße umfasst zumindest eine Stirnoberflächengeschwindigkeit von einer der Rollen in dem Wälzlager. Die Stirnoberflächengeschwindigkeit beschreibt die Geschwindigkeit eines Abschnitts auf der Stirnseite der Rolle. Die Stirnoberflächengeschwindigkeit kann in der Einheit Weg pro Zeit angegeben sein.The invention relates to a measuring arrangement for determining at least one state variable in a rolling bearing. The rolling bearing is designed in particular as a roller rolling bearing and has a plurality of rollers as rolling elements. The rolling bearing defines a bearing axis. Each of the rollers defines a roller axis associated with the respective roller around which the respective roller rotates. The state variable is designed, in particular, as a measured variable or as a derived variable for describing the state, in particular the state of motion, of the rolling bearing. The at least one state variable includes at least one end surface velocity of one of the rollers in the rolling bearing. The front surface speed describes the speed of a section on the face of the roller. The front surface speed may be given in units of travel per time.

Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Meßanordnung mindestens einen ersten Sensor zur Ausgabe von ersten Messdaten und einen zweiten Sensor zur Ausgabe von zweiten Messdaten aufweist. Die Sensoren sind in Umlaufrichtung um die Lagerachse um einen örtlichen Versatz nebeneinander anordbar. Somit wird eine Rolle, insbesondere eine Rollenstirn, im Speziellen ein Abschnitt der Rollenstirn, zunächst von dem ersten Sensor und zeitlich und/oder örtlich nachfolgend von dem zweiten Sensor erfasst.In the context of the invention, it is proposed that the measuring arrangement has at least one first sensor for outputting first measured data and a second sensor for outputting second measured data. The sensors can be arranged next to one another in the direction of rotation about the bearing axis by a local offset. Thus, a roller, in particular a roller end, in particular a section of the roller end, first of the first sensor and temporally and / or locally subsequently detected by the second sensor.

Die Meßanordnung weist eine Auswerteeinrichtung auf, wobei die Auswerteeinrichtung vorzugsweise als eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung, wie zum Beispiel ein Computer, ein Mikrocontroller etc. ausgebildet ist. Die Auswerteeinrichtung ist insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, durch Vergleich der ersten und der zweiten Messdaten, wobei die ersten und die zweiten Messdaten einer gemeinsamen Rolle des Wälzlagers zugeordnet werden können, einen zeitlichen Versatz zwischen den ersten und den zweiten Messdaten zu bestimmen. Es wird davon ausgegangen, dass der erste Sensor zu der gemeinsamen Rolle das gleiche Signal wie der zweite Sensor aufnimmt und somit der zeitliche Versatz bestimmt werden kann. Ferner ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, auf Basis des zeitlichen Versatzes und des örtlichen Versatzes, welcher durch die konstruktive Anordnung der Sensoren festgelegt ist, die Stirnoberflächengeschwindigkeit der gemeinsamen Rolle zu bestimmen.The measuring arrangement has an evaluation device, wherein the evaluation device is preferably designed as a digital data processing device, such as a computer, a microcontroller, etc. The evaluation device is designed, in particular, in terms of programming technology and / or circuitry, by comparing the first and the second measurement data, wherein the first and the second measurement data can be assigned to a common roller of the rolling bearing, to determine a time offset between the first and the second measurement data. It is assumed that the first sensor to the common role receives the same signal as the second sensor and thus the time lag can be determined. Furthermore, the evaluation device is designed based on the time offset and the local offset, which is determined by the structural arrangement of the sensors to determine the front surface speed of the common role.

Die Messsignale und somit die Messdaten von zwei in einem insbesondere kurzen örtlichen Abstand hintereinander angeordneten, auf die Rollenstirnseite messenden Sensoren hängen hauptsächlich von den Inhomogenitäten des Werkstoffelementes an der Messstelle ab. Aus der Zeit, die verstreicht, bis ein Signalpeak von dem ersten Sensor den zweiten Sensoren erreicht, lässt sich die Stirnoberflächengeschwindigkeit insbesondere der gemeinsamen Rolle bestimmen. Die Meßsignale an den Sensoren schwanken hochfrequent aufgrund Material- oder Oberflächeninhomogenitäten der Rolle an der Rollenstirnseite. Aus dem zeitlichen Versatz mit dem solche Ausschläge bzw. Inhomogenitäten vom ersten Sensor auch den zweiten Sensor erreichen, lässt sich die Stirnoberflächengeschwindigkeit der gemeinsamen Rolle bestimmen.The measurement signals, and thus the measurement data of two sensors arranged in succession in a particular short local distance, measured on the roller face side, mainly depend on the inhomogeneities of the material element at the measuring point. From the time that elapses until a signal peak from the first sensor reaches the second sensors, the front surface speed can be determined in particular determine the common role. The measuring signals at the sensors fluctuate high-frequency due to material or surface inhomogeneities of the roller on the roller end face. From the time lag with which such rashes or inhomogeneities from the first sensor also reach the second sensor, the front surface speed of the common roller can be determined.

Bei einer möglichen Umsetzung der Erfindung werden die ersten und zweiten Messdaten über eine Autokorrelationsfunktion miteinander verglichen. Die Autokorrelationsfunktion ermittelt den zeitlichen Abstand zwischen den ersten und zweiten Messdaten in Bezug auf die gemeinsame Rolle.In one possible implementation of the invention, the first and second measurement data are compared with each other via an autocorrelation function. The autocorrelation function determines the time interval between the first and second measurement data with respect to the common role.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Sensoren in dem gleichen radialen Abstand zu der Lagerachse angeordnet. Alternativ oder ergänzend weisen die Sensoren den gleichen Abstand zu der Rollenstirnseite auf. Dadurch, dass für jeden der Sensoren die Meßbedingungen in Bezug auf die gemeinsame Rolle gleich sind, wird die Messgenauigkeit der Meßanordnung verbessert.In a preferred embodiment of the invention, the sensors are arranged at the same radial distance from the bearing axis. Alternatively or additionally, the sensors are at the same distance from the roller end side. Characterized in that the measurement conditions are the same for each of the sensors with respect to the common role, the measurement accuracy of the measuring arrangement is improved.

Es ist besonders bevorzugt, dass eine Meßachse der Sensoren jeweils versetzt zu der Rollenachse angeordnet ist. Beispielsweise sind die Meßachsen der Sensoren in einem anderen radialen Abstand und/oder auf einem anderen Teilkreisdurchmesser als die Rollenachsen angeordnet.It is particularly preferred that a measuring axis of the sensors is arranged in each case offset relative to the roller axis. For example, the measuring axes of the sensors are arranged at a different radial distance and / or on a different pitch circle diameter than the roller axes.

Prinzipiell können die Sensoren beliebig ausgebildet sein und damit z.B. als optische Sensoren oder Magnetostriktive Sensoren realisiert sein. Besonders bevorzugt sind diese als Wirbelstromsensoren ausgebildet. Wirbelstromsensoren sind als die Sensoren besonders geeignet, da diese unempfindlich gegen Öl, Wasser, Staub etc. sind und somit unempfindlich gegen Stoffe sind, die zwischen den Wirbelstromsensoren und den Rollen vorhanden sind. Die Messsignale und somit die Messdaten von zwei in einem kurzen örtlichen Abstand hintereinander angeordneten, auf die Rollenstirnseite messenden Wirbelstromsensoren hängen hauptsächlich von den magnetischen Inhomogenitäten der Rolle bzw. der Rollenstirn an der Messstelle ab. Aus der Zeit, die verstreicht, bis ein Signalpeak von dem ersten Wirbelstromsensor den zweiten Wirbelstromsensoren erreicht, lässt sich die Stirnoberflächengeschwindigkeit insbesondere der gemeinsamen Rolle bestimmen. Die Meßsignale an den Wirbelstromsensoren schwanken hochfrequent aufgrund Materialinhomogenitäten der Rolle an der Rollenstirnseite. Aus dem zeitlichen Versatz mit dem solche Ausschläge bzw. Inhomogenitäten vom ersten Wirbelstromsensor auch den zweiten Wirbelstromsensor erreichen, lässt sich die Stirnoberflächengeschwindigkeit der gemeinsamen Rolle bestimmen.In principle, the sensors can be of any desired design and thus, for example, be implemented as optical sensors or magnetostrictive sensors. These are particularly preferably designed as eddy-current sensors. Eddy current sensors are particularly suitable as the sensors, since they are insensitive to oil, water, dust, etc., and are thus insensitive to substances present between the eddy current sensors and the rollers. The measuring signals, and thus the measured data of two eddy current sensors arranged in a short local distance one behind the other, depend on the magnetic inhomogeneities of the roller or the roller end at the measuring point. From the time that elapses until a signal peak from the first eddy current sensor reaches the second eddy current sensors, the front surface speed, in particular of the common roller, can be determined. The measuring signals at the eddy current sensors fluctuate high frequency due to material inhomogeneities of the roller on the roller end side. From the time offset with which such deflections or inhomogeneities from the first eddy current sensor also reach the second eddy current sensor, the end surface velocity of the common roller can be determined.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, aus den ersten und/oder aus den zweiten Messdaten einen zeitlichen Versatz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rollen oder einen zeitlichen Versatz zwischen zwei Taschen von einem Käfig des Wälzlagers zu bestimmen. Während die Bestimmung der Stirnoberflächengeschwindigkeit auf die Inhomogenitäten der Rolle bzw. der Rollenstirn und daraus resultierenden Signalschwankungen in den ersten und/oder zweiten Messdaten beruht, kann der zeitliche Versatz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rollen und/oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Fenstern sehr einfach und deutlich aus den ersten oder alternativ hierzu aus den zweiten oder aus den ersten und zweiten Messdaten abgeleitet werden.In a preferred embodiment of the invention, the evaluation device is designed in particular programmatically and / or circuitry to determine from the first and / or from the second measurement data a time offset between two consecutive roles or a time offset between two pockets of a cage of the bearing. While the determination of the front surface velocity is based on the inhomogeneities of the roll or the end of the roll and the resulting signal fluctuations in the first and / or second measurement data, the time offset between two consecutive rolls and / or between two successive windows can be very simple and clear from the first or alternatively derived from the second or from the first and second measurement data.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, auf Basis der geometrischen, insbesondere konstruktiven Größen des Wälzlagers sowie des zeitlichen Versatzes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Taschen und/oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rollen eine Umlaufgeschwindigkeit der Rollen und/oder des Käfigs (Käfigdrehzahl) um die Lagerachse als Zustandsgröße zu bestimmen.In a preferred embodiment of the invention, the evaluation device is designed in particular programmatically and / or circuitry, based on the geometric, in particular constructive sizes of the rolling bearing and the time offset between two consecutive pockets and / or between two consecutive roles a circulating speed of the rollers and / or Cage (cage speed) to determine the bearing axis as a state variable.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, auf Basis der Stirnoberflächengeschwindigkeit und der Umlaufgeschwindigkeit eine Rollendrehzahl der insbesondere gemeinsamen Rolle in dem Wälzlager als Zustandsgröße zu bestimmen.In a preferred embodiment of the invention, the evaluation device is designed in particular programmatically and / or circuitry, based on the front surface speed and the rotational speed to determine a roller speed of the particular common role in the rolling bearing as a state variable.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Meßanordnung das Wälzlager, wobei die Sensoren in Umlaufrichtung um die Lagerachse um einen örtlichen Versatz nacheinander angeordnet sind, wie dies zuvor beschrieben wurde.In a preferred embodiment of the invention, the measuring arrangement comprises the rolling bearing, wherein the sensors are arranged in the direction of rotation about the bearing axis by a local offset successively, as previously described.

Besonders bevorzugt ist das Wälzlager als ein Wälzlager mit einem Teilkreisdurchmesser >500 mm, vorzugsweise >1000 mm ausgebildet. Besonders bevorzugt wird das Wälzlager als Rotorlagerung in einer Windkraftanlage verwendet.Particularly preferably, the rolling bearing is designed as a rolling bearing with a pitch circle diameter> 500 mm, preferably> 1000 mm. Particularly preferably, the rolling bearing is used as a rotor bearing in a wind turbine.

Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Diese zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie Signaldiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Messanordnung.
Further features, effects and advantages of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment of the invention and the accompanying figures. These show:
  • 1 a schematic representation of a measuring arrangement as an embodiment of the invention and signal diagrams for explaining the operation of the measuring arrangement.

Die 1 zeigt in einer schematischen axialen Draufsicht eine Rolle 1 bzw. eine Rollenstirn 2 der Rolle eines nicht weiter dargestellten Wälzlagers, welches als Radialwälzlager ausgebildet ist. Das Wälzlager umfasst einen Innenring und einen Außenring, wobei eine Mehrzahl derartiger Rollen 1 zwischen dem Innenring und dem Außenring abwälzend angeordnet sind. Ferner weist das Wälzlager einen ebenfalls nicht dargestellten Käfig auf, wobei die Rollen 1 in dem Käfig geführt sind. Hierfür weist der Käfig Fenster auf, in denen die Rollen 1 eingelegt sind. The 1 shows a roller in a schematic axial plan view 1 or a roller end 2 of the roller of a rolling bearing, not shown, which is designed as a radial roller bearing. The rolling bearing comprises an inner ring and an outer ring, wherein a plurality of such rollers 1 are arranged rolling between the inner ring and the outer ring. Furthermore, the roller bearing on a likewise not shown cage, wherein the rollers 1 are guided in the cage. For this purpose, the cage has windows in which the rollers 1 are inserted.

Zur Messung der Rollendrehzahl, also der Anzahl der Drehungen der Rolle 1 um die eigene Rollenachse RA, ist eine Meßanordnung 3 vorgesehen, welche einen ersten Sensor 4 und einen zweiten Sensor 5 sowie eine Auswerteeinrichtung 6 aufweist. Die Sensoren 4, 5 sind als Wirbelstromsensoren ausgebildet und datentechnisch und/oder signaltechnisch mit der Meßanordnung 3 verbunden, so dass diese erste und zweite Messdaten an die Auswerteeinrichtung 6 übergeben können.. Die Sensoren 4, 5 sind in der 1 nur grob schematisiert als Ovale dargestellt. Die Sensoren 4, 5 sind mit ihren Meßachsen parallel zu der Rollenachse RA ausgerichtet. Die Meßachsen der Sensoren 4, 5 sind jedoch parallel versetzt zu der Rollenachse RA angeordnet. Die Abstände zwischen den Sensoren 4, 5 und der Rollenstirn 2 der Rolle 1 sind bei beiden Sensoren 4, 5 gleich. Die Rolle 1 ist aus einem metallischen Material, insbesondere aus Wälzkörperstahl ausgebildet.To measure the roll speed, that is the number of rotations of the roll 1 around its own roller axis RA , is a measuring arrangement 3 provided, which a first sensor 4 and a second sensor 5 as well as an evaluation device 6 having. The sensors 4, 5 are formed as eddy current sensors and data technology and / or signaling technology with the measuring arrangement 3 connected, so that these first and second measurement data to the evaluation 6 can pass .. The sensors 4 . 5 are in the 1 only roughly schematized shown as ovals. The sensors 4 . 5 are with their measuring axes parallel to the roller axis RA aligned. However, the measuring axes of the sensors 4, 5 are offset parallel to the roller axis RA arranged. The distances between the sensors 4 . 5 and the forehead 2 the role 1 are with both sensors 4 . 5 equal. The role 1 is formed of a metallic material, in particular of rolling steel.

Bei einer Rotation der Rolle 1 zum einen um die eigene Rollenachse RA und zum anderen um eine Lagerachse des Wälzlagers nehmen die Sensoren 4, 5 Meßsignale auf, welche hochfrequent aufgrund Materialinhomogenitäten der Rolle 1 bzw. der Rollenstirn 2 schwanken. Diese hochfrequenten Schwankungen stellen einer Art Identifikationsmerkmal wie einen Fingerabdruck da, um einen bestimmten Abschnitt auf der Rollenstirn 7 der Rolle 1 identifizieren zu können. Zwei beispielhafte Meßsignale sind schematisch als erste Messdaten M1 und zweite Messdaten M2 auf der linken Seite in der 1 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Messdaten M1 und M2 die gleichen hochfrequenten Schwankungen aufweisen, jedoch um die Zeit delta_tw und somit um den zeitlichen Versatz von delta_tw voneinander getrennt sind. Der zeitliche Versatz delta_tw kann beispielsweise durch eine Autokorrelationsfunktion AK ermittelt werden.With a rotation of the roll 1 on the one hand around its own roller axis RA and on the other hand around a bearing axis of the bearing take the sensors 4 . 5 Measuring signals, which high frequency due to material inhomogeneities of the role 1 or the roller end 2 fluctuate. These high-frequency fluctuations provide a kind of identification feature, such as a fingerprint, around a specific section on the roller end 7 of the roller 1 to be able to identify. Two exemplary measurement signals are schematically as first measurement data M1 and second measurement data M2 on the left in the 1 shown. It can be seen that the measured data M1 and M2 have the same high-frequency fluctuations, but are separated by the time delta_tw and thus by the time offset of delta_tw. The temporal offset delta_tw can be determined, for example, by an autocorrelation function AK.

Auf Basis des zeitlichen Versatzes delta_tw lässt sich eine Stirnoberflächengeschwindigkeit v1 berechnen. Die Stirnoberflächengeschwindigkeit v1 setzt sich zusammen aus der Rotationsgeschwindigkeit der Rolle 1 um die Rollenachse RA und aus der Umlaufgeschwindigkeit v2 der Rolle 1 um die Lagerachse des Wälzlagers.On the basis of the time offset delta_tw, an end surface velocity v1 can be calculated. The front surface speed v1 is composed of the rotational speed of the roller 1 around the roller axis RA and from the rotational speed v2 the role 1 around the bearing axis of the rolling bearing.

Um die Rollendrehzahl aus der Stirnoberflächengeschwindigkeit berechnen zu können ist es somit notwendig, die Umlaufgeschwindigkeit v2 oder - dazu gleichwertig - eine Käfiggeschwindigkeit oder eine Käfigdrehzahl zu bestimmen. Auf der rechten Seite sind die Messdaten M1 und M2 in einer größeren Zeitskala dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass für jede vorbeilaufende Rolle 1 ein Peak P1, P2 zu erkennen ist. Durch den zeitlichen Abstand der Peaks P1 in den Messdaten M1 (t1) oder durch den zeitlichen Abstand der Peaks P2 in den Messdaten M2 (t2) oder durch den zeitlichen Abstand zwischen einem Peak P1 aus den Messdaten M1 und einem Peak P2 aus den Messdaten M2 lässt sich die Umlaufgeschwindigkeit der Rollen 1 und/oder die Umlaufgeschwindigkeit des Käfigs bestimmen. Anders ausgedrückt entsteht an den Sensoren 4, 5 ein leicht zeitlich versetztes Messsignal. Aus den Zeitspannen zwischen den zwei Messsignalen an einem Sensor (t1, t2) oder dem zeitlichen Versatz der Messsignale am Sensor 4, 5 (delta_tK) kann bei bekanntem Abstand von zwei Käfigtaschen bzw. der beiden Sensoren 4, 5 die Käfigdrehzahl und die Oberflächengeschwindigkeit v2 und damit die Umlaufgeschwindigkeit im Zentrum der Rolle 1 aufgrund der Käfigdrehbewegung bestimmt werden.In order to be able to calculate the roller speed from the front surface speed, it is thus necessary to calculate the revolution speed v2 or, equivalently, to determine a cage speed or a cage speed. On the right side are the measurement data M1 and M2 shown in a larger time scale. It can be seen that for each passing role 1 a peak P1 . P2 can be seen. By the temporal distance of the peaks P1 in the measured data M1 (t1) or by the time interval of the peaks P2 in the measured data M2 (t2) or by the time interval between a peak P1 from the measured data M1 and a peak P2 from the measured data M2 can be the speed of rotation of the rollers 1 and / or determine the rotational speed of the cage. In other words, a slightly time-delayed measurement signal is produced at the sensors 4, 5. From the time intervals between the two measuring signals at a sensor (t1, t2) or the time offset of the measuring signals at the sensor 4 . 5 (delta_tK) can at a known distance of two cage pockets or the two sensors 4 . 5 the cage speed and the surface speed v2 and thus the rotational speed in the center of the roller 1 are determined due to the cage rotation.

Die Auswerteeinrichtung 6 ist ausgebildet, die Stirnoberflächengeschwindigkeit v1 sowie die Umlaufgeschwindigkeit v2 zu berechnen oder zu bestimmen. In einem nächsten Schritt wird in Abhängigkeit der Position der Sensoren 4, 5 die Stirnoberflächengeschwindigkeit v1 von der Umlaufgeschwindigkeit v2 - in diesem Ausführungsbeispiel durch Differenzbildung - bereinigt.. Zieht man von dieser Stirnoberflächengeschwindigkeit v1 die Geschwindigkeit aufgrund der Käfigbewegung v2 ab, erhält man die Geschwindigkeit v3 an der Stelle der Sensoren 4, 5 alleinig aufgrund der Rollendrehbewegung um die eigene Rollenachse. Bei bekanntem Radius r_Sensor der Sensoren 4, 5 zum Rollenmittelpunkt oder zu der Rollenachse RA lässt sich im Anschluss die Rollendrehzahl über die Formel n = v 3 / ( 2 * pi * r _ Sensor )

Figure DE102017120594A1_0001
berechnen. Aus der Rollendrehzahl n kann - in Kenntnis der Drehzahlen des Innenrings und/oder des Außenrings im Weiteren der Wälzkörper-Schlupf berechnet werden.The evaluation device 6 is formed, the front surface speed v1 as well as the circulation speed v2 to calculate or determine. In a next step will depend on the position of the sensors 4 . 5 the front surface speed v1 from the revolution speed v2 - In this embodiment, by subtraction - adjusted .. Pulls from this frontal surface velocity v1, the speed due to the cage movement v2 From, you get the speed v3 in the place of the sensors 4 . 5 solely due to the roll rotation around its own roll axis. With known radius r_Sensor of the sensors 4 . 5 to the roll center or to the roll axis RA can be followed by the roller speed on the formula n = v 3 / ( 2 * pi * r _ sensor )
Figure DE102017120594A1_0001
to calculate. From the roller speed n can be calculated - knowing the speeds of the inner ring and / or the outer ring below the rolling element slip.

Die Messsignale von den zwei kurz hintereinander angeordneten, auf die Rollenstirnseite 2 messenden Wirbelstromsensoren als Sensoren 4, 5 hängen hauptsächlich von der magnetischen Inhomogenität des Werkstoffelementes an der Messstelle ab, da der Abstand zur Rolle 1 ungefähr gleich ist. Aus der Zeit, die verstreicht, bis ein Signalpeak vom Sensor 4 den Sensor 5 erreicht, lässt sich die Stirnoberflächengeschwindigkeit berechnen. Die Messposition liegt dabei bewusst außerhalb des Rollenzentrums. Aus der Frequenz, mit der Rollen 1 an den Sensoren 4, 5 vorbeikommen bzw. Frequenz Sensor-Übersteuerung kann die Käfigdrehzahl und damit auch die Oberflächengeschwindigkeit im Zentrum der Rolle 1 berechnet werden. Aus den beiden Oberflächengeschwindigkeiten v1 und v2 kann im Anschluss dann die Rollendrehzahl n und optional der Rollenschlupf berechnet werden. Kennt man die Position der Lastzone und die Drehzahl von Innenring und Außenring kann man den Rollendrehzahlverlauf über den Umfang prognostizieren. Alternativ ist auch die Messung der Rollendrehzahl n an mehreren Umfangspositionen möglich, um mehrere Stützstellen für die Berechnung eines Rollendrehzahlverlaufs zu haben.The measurement signals from the two arranged in quick succession, on the roller face 2 measuring eddy current sensors as sensors 4 . 5 depend mainly on the magnetic inhomogeneity of the material element at the measuring point, since the distance to the roller 1 is about the same. From the time that elapses until a signal peak from the sensor 4 the sensor 5 achieved, can the Calculate front surface speed. The measurement position is deliberately outside the role center. From the frequency, with the roles 1 at the sensors 4 . 5 or frequency sensor overdrive, the cage speed and thus the surface speed in the center of the role 1 be calculated. From the two surface speeds v1 and v2 can then be the roller speed n and optionally the roller slip can be calculated. Knowing the position of the load zone and the speed of the inner ring and outer ring can predict the role of rotational speed over the circumference. Alternatively, the measurement of the roller speed n at several circumferential positions possible to have multiple support points for the calculation of a roller speed curve.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Rollerole
22
Rollenstirnroller end
33
Messanordnungmeasuring arrangement
44
erster Sensorfirst sensor
55
zweiter Sensorsecond sensor
66
Auswerteeinrichtungevaluation
RARA
Rollenachseroller axis
M1, M2M1, M2
Messdatenmeasurement data
P1, P2P1, P2
Peakspeaks
tt
Zeit [s]Time
v1v1
Oberflächengeschwindigkeit der Rolle an SensorpositionSurface speed of the roll at sensor position
v2v2
Umlaufgeschwindigkeit der Rolle und/oder des Käfigs um die Lagerachse und/oder Oberflächengeschwindigkeit der Rolle an der LagerachseCirculation speed of the roller and / or the cage around the bearing axis and / or surface speed of the roller on the bearing axis
v3v3
Oberflächengeschwindigkeit der Rolle an Sensorposition in Umlaufrichtung um die RollenachseSurface speed of the roll at sensor position in the direction of rotation about the roll axis
nn
Rollendrehzahl um die RollenachseRoller speed around the roller axis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102014214178 A1 [0003]DE 102014214178 A1 [0003]

Claims (9)

Messanordnung (3) zur Ermittlung von mindestens einer Zustandsgröße (v1, v2, v3, n) bei einem Wälzlager, wobei die Zustandsgröße (v1, v2, v3, n) eine Stirnoberflächengeschwindigkeit (v1) von einer der Rollen (1) in dem Wälzlager umfasst, wobei die Rollen (1) um die Rollenachse (RA) rotierbar sind und/oder in Umlaufrichtung um eine Lagerachse des Wälzlagers bewegbar sind, gekennzeichnet durch einen ersten Sensor (4) zur Ausgabe von ersten Messdaten (M1) und durch einen zweiten Sensoren (5) zur Ausgabe von zweiten Messdaten (M2), wobei die Sensoren (4,5) in Umlaufrichtung um die Lagerachse um einen örtlichen Versatz nacheinander anordbar sind, und durch eine Auswerteeinrichtung (6), wobei die Auswerteeinrichtung (6) ausgebildet ist, durch Vergleich der ersten und der zweiten Messdaten (M1, M2) einen zeitlichen Versatz (delta_tw) zwischen den ersten und den zweiten Messdaten (M1, M2) zu bestimmen und auf Basis des zeitlichen Versatzes (delta_tw) und des örtlichen Versatzes die Stirnoberflächengeschwindigkeit (v1) zu bestimmen.Measuring arrangement (3) for determining at least one state variable (v1, v2, v3, n) in a roller bearing, wherein the state variable (v1, v2, v3, n) is an end surface speed (v1) of one of the rollers (1) in the rolling bearing comprises, wherein the rollers (1) are rotatable about the roller axis (RA) and / or are movable in the direction of rotation about a bearing axis of the rolling bearing, characterized by a first sensor (4) for outputting first measurement data (M1) and by a second sensor (5) for outputting second measurement data (M2), wherein the sensors (4, 5) can be arranged successively in the direction of rotation about the bearing axis by a local offset, and by an evaluation device (6), wherein the evaluation device (6) is formed, by comparing the first and the second measurement data (M1, M2) to determine a time offset (delta_tw) between the first and the second measurement data (M1, M2) and the S based on the time offset (delta_tw) and the local offset to determine the surface velocity (v1). Messanordnung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4, 5) in dem gleichen radialen Abstand (r_sensor) zu der Lagerachse angeordnet sind.Measuring arrangement (3) according to Claim 1 , characterized in that the sensors (4, 5) in the same radial distance (r_sensor) are arranged to the bearing axis. Messanordnung (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messachse der Sensoren (4,5) jeweils versetzt zu der Rollenachse (RA) angeordnet sind.Measuring arrangement (3) according to Claim 1 or 2 , characterized in that a measuring axis of the sensors (4,5) each offset from the roller axis (RA) are arranged. Messanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4,5) als Wirbelstromsensoren ausgebildet sind.Measuring arrangement (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensors (4,5) are designed as eddy current sensors. Messanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6) ausgebildet ist, aus den ersten und/oder den zweiten Messdaten (M1,M2) einen zeitlichen Versatz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rollen oder einen zeitlichen Versatz zwischen zwei Taschen von einem Käfig des Wälzlagers zu bestimmen.Measuring arrangement (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device (6) is formed from the first and / or second measurement data (M1, M2) a time offset between two successive roles or a time offset between two pockets determined by a cage of the rolling bearing. Messanordnung (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6) ausgebildet ist, auf Basis der geometrischen Größen des Wälzlagers und des zeitlichen Versatzes eine Umlaufgeschwindigkeit (v2) der Rollen und/oder des Käfigs um die Lagerachse zu bestimmen.Measuring arrangement (3) according to Claim 5 , characterized in that the evaluation device (6) is designed to determine a rotational speed (v2) of the rollers and / or of the cage about the bearing axis on the basis of the geometric variables of the roller bearing and the time offset. Messanordnung (3) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6) ausgebildet ist, auf Basis der Stirnoberflächengeschwindigkeit (v1) und der Umlaufgeschwindigkeit (v2) eine Rollendrehzahl (n) in dem Wälzlager zu bestimmen.Measuring arrangement (3) according to Claim 6 , characterized in that the evaluation device (6) is designed to determine a roller speed (n) in the rolling bearing on the basis of the front surface speed (v1) and the rotational speed (v2). Messanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Messanordnung (3) das Wälzlager umfasst und dass die Sensoren (4,5) in Umlaufrichtung um die Lagerachse um einen örtlichen Versatz nacheinander angeordnet sind.Measuring arrangement (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring arrangement (3) comprises the rolling bearing and that the sensors (4,5) are arranged in the direction of rotation about the bearing axis by a local offset succession. Messanordnung (3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager als ein Großwälzlager mit einem Teilkreisdurchmesser größer als 500 mm, vorzugsweise größer als 1000 mm ausgebildet ist.Measuring arrangement (3) according to Claim 8 , characterized in that the rolling bearing is designed as a large roller bearing with a pitch circle diameter greater than 500 mm, preferably greater than 1000 mm.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102019219049A1 (en) * 2019-12-06 2021-06-10 Zf Friedrichshafen Ag Measuring system for detecting slip in a roller bearing

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014214178A1 (en) 2014-07-22 2016-01-28 Robert Bosch Gmbh Method and device for determining the rotational speed of a rolling element

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