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Die Erfindung betrifft eine Sensorlagereinheit, umfassend ein Wälzlager und einen Messring mit mindestens einem Sensorelement, wobei das Wälzlager einen Innenring und einen Außenring sowie mehrere zwischen dem Innenring und dem Außenring abwälzende Wälzkörpern aufweist.
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Wälzlageranordnungen mit integrierten Sensoreinheiten sind auch als Sensorlager bekannt und dienen zum Erfassen unterschiedlicher Lagerzustandsgrößen, wie beispielsweise Drehzahl, Temperatur und Drehwinkel.
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Aus der
DE 10 2015 203 861 A1 geht eine Sensoreinrichtung für ein Wälzlager mit einem Außenring und einem relativ zu diesem drehbaren Innenring hervor. Die Sensoreinrichtung umfasst mindestens einen mit einem der beiden Lagerringe drehfest verbindbaren Sensor, mindestens einen mit dem anderen der beiden Lagerringe drehfest verbindbaren Signalgeber, einen an einer Stirnfläche des Außenrings des Wälzlagers befestigbaren äußeren Ring und einen an einer Stirnfläche des Innenrings des Wälzlagers befestigbaren inneren Ring. Der Sensor und der Signalgeber sind aufeinander gegenüberliegenden Mantelflächen des äußeren und inneren Rings angeordnet.
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Bei Verwendung eines Sensorelements zur Abstandsmessung in der zuvor genannten Sensoreinrichtung, erfasst das Sensorelement lediglich die im Lager auftretenden Einfederungen, die in vielen Anwendungsfällen sehr klein ausfallen und sich an der Auflösungsgrenze des Sensorelements oder sogar darunter befinden kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sensorlagereinheit mit Wälzlager und Messring weiterzuentwickeln und insbesondere die Messempfindlichkeit zu steigern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Sensorlagereinheit mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Sensorlagereinheit umfasst ein Wälzlager und einen Messring mit mindestens einem Sensorelement, wobei das Wälzlager einen Innenring und einen Außenring sowie mehrere zwischen dem Innenring und dem Außenring abwälzende Wälzkörper aufweist. Der Messring ist radial umlaufend am Außenring angeordnet und weist zumindest einen einfedernden Bereich mit einer geringeren Steifigkeit als der restliche Messring auf, wobei der zumindest eine einfedernde Bereich zumindest teilweise oder vollständig umlaufend am Messring ausgebildet ist und dazu vorgesehen ist, ein Einfedern des Wälzlagers im Messring zu erlauben, und wobei das mindestens eine Sensorelement dazu vorgesehen ist, das Einfedern des Wälzlagers im Messring durch Abtandsmessung zu erfassen.
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Mit anderen Worten sind am Messring ein oder mehrere Sensorelemente, die zumindest zur Abstandsmessung des Außenrings vorgesehen sind, angeordnet, wobei eine Vielzahl von Sensorelementen vorzugsweise am Umfang des Messrings verteilt angeordnet sind. Insbesondere ist das jeweilige Sensorelement dazu vorgesehen, die am Wälzlager vorhandenen Belastungen und Verlagerungen zu erfassen, um mittels einer Auswerteinheit mit einem dazu vorgesehenen Allgorithmus Prozesse und Maschinenzustände zu beurteilen. Je größer die Messempfindlichkeit und -präzision sowie je größer die Anzahl der Messgrößen ist, umso schärfer wird das digitale Abbild des Belastungszustandes des Wälzlagers. Die Messung einer radialen Wellenverlagerung und einer damit einhergehenden Verlagerung des Außenrings erlaubt über rechnerisch bekannte Zusammenhänge die Bestimmung der Lagerlast.
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Der Messring ist radial umlaufend am Außenring angeordnet, wobei der Messring radial an einer Außenumfangsfläche des Außenrings dreh- und axialfest zur Anlage kommt. Demgegenüber ist der einfedernde Bereich zumindest teilweise oder vollständig umlaufend am Messring ausgebildet. Mithin ist der einfedernde Bereich zumindest lokal beschränkt, beispielsweise nur an einer Stelle des Messrings ausgebildet, oder umlaufend über den gesamten Umfang des Messrings ausgebildet. Der einfedernde Bereich ermöglicht eine stärkere Verformung des Messrings bei einer Belastung des Wälzlagers als der restliche Messring oder ein das Lager aufnehmendes Gehäuse, wodurch insbesondere die Messempfindlichkeit der Sensorlagereinheit erhöht wird. Unter dem Einfedern des Wälzlagers im Messring ist ein elastisches und somit reversibeles Nachgeben des Messrings bei einer Belastung des Wälzlagers zu verstehen.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorlagereinheit ist der Messring radial umlaufend am Außenring angeordnet und vollständig aus einem elastischen Material ausgebildet, wobei das elastische Material dazu vorgesehen ist, ein Einfedern des Wälzlagers im Messring zu erlauben, und wobei das mindestens eine Sensorelement dazu vorgesehen ist, das Einfedern des Wälzlagers im Messring durch Abtandsmessung zu erfassen. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der erstgenannten Ausführungsform dadurch, dass der Messring vollständig aus einem elastischen Material ausgebildet ist und somit vollständig einfedernd ausgebildet ist. Das elastische Material ist bevorzugt ein Elastomer.
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Vorzugsweise weist der zumindest eine einfedernde Bereich gemäß der erstgenannten Ausführungsform mindestens eine Aussparung auf. Insbesondere erstreckt sich eine einzige Aussparung über einen Teilumfang oder über den gesamten Umfang des Messrings. Beispielsweise können auch zwei oder mehrere Aussparungen im Messring vorgesehen werden, um eine Strukturschwächung des Messrings herbeizuführen und dadurch den einfedernden Bereich zu bilden.
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Alternativ zur Aussparung kann der zumindest eine einfedernde Bereich 7 mindestens eine Nut 9 aufweisen. Die mindestens eine Nut kann radial oder axial ausgebildet sein. Bevorzugt kann der Messring auch mehrere einfedernde Bereiche aufweisen.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die mindestens eine Aussparung oder die mindestens eine Nut zumindest teilweise oder vollständig mit einem elastischen Material gefüllt ist. Vorzugsweise ist das elastische Material ein Elastomer. Dadurch wird insbesondere die Steifigkeit des zumindest einen einfedernden Bereichs erhöht. Alternativ oder ergänzend dazu weist die mindestens eine Aussparung oder die mindestens eine Nut mindestens ein Biegeelement auf. Das mindestens eine Biegelelement ist beispielsweise eine Rahmenkonstruktion oder eine Strebe, die bei einer Belastung des Wälzlagers zumindest stärker nachgiebt, als das Vollmaterial am Messring.
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Insbesondere ist das mindestens eine Sensorelement als Wirbelstromsensor, induktiver Sensor, Magnetfeldsensor, kapazitiver Sensor, optischer Sensor oder berührender Taster ausgebildet. Wenn das Sensorelement als Wirbelstromsensor oder induktiver Sensor ausgebildet ist wird ein Magnetfeld erzeugt und das sich durch im Mess-Target induzierte Wirbelströme bildende Gegenfeld mit einer Spule detektiert. Eine Änderung des Abstandes zwischen Sensorelement und Mess-Target bewirkt eine Änderung des gemessenen Gegenfeldes, somit kann eine Abstandsmessung realisiert werden. Ein kapazitiver Sensor misst den Abstand über die Änderung der Kapazität eines Kondensators in Nähe des Targets. Ein optischer Sensor kann den Abstand zum Target durch Auswertung der Laufzeit eines vom Sensor gesendeten und wieder empfangenen Lichtimpulses messen, alternativ auch durch Auswertung der Phasenlage. Ein berührender Taster misst direkt die mechanische Veränderung des Abstandes durch eine das Target berührende Komponente. Insbesondere ist das Target beziehungsweise Mess-Target der Außenring des Wälzlagers.
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Erfindungsgemäß wird die Sensorlagereinheit zur Unwuchts- und/oder Beladungserkennung verwendet. Beispielsweise wird die Sensorlagereinheit in einem Fahrzeug oder einer Waschmaschine zur Lagerung einer Antriebs- oder Abtriebswelle vorgesehen.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung sechs bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der sechs Figuren, näher dargestellt. Hierbei zeigt
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensorlagereinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensorlagereinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensorlagereinheit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensorlagereinheit gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
- 5 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensorlagereinheit gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, und
- 6 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensorlagereinheit gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel.
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Gemäß den 1 bis 6 umfasst eine jeweilige erfindungsgemäße Sensorlagereinheit ein Wälzlager 1 und einen Messring 5 mit einem Sensorelement 6. Das jeweilige Wälzlager 1 weist einen Innenring 2, einen Außenring 3 und mehrere zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 abwälzende Wälzkörpern 4 auf, die als Kugeln ausgebildet sind. Der Messring 5 ist radial umlaufend am Außenring 3 angeordnet und drehfest mit dem Außenring 3 verbunden. Die Sensorlagereinheit wird in einem - hier nicht dargestellten - Gehäuse montiert, wobei der Messring 5 dreh- und axialfest im Gehäuse aufgenommen wird.
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In den 1 bis 5 weist der Messring 5 einen einfedernden Bereich 7 auf, der eine geringere Steifigkeit als der restliche Messring 5 hat. Mithin kann sich der Messring 5 bei einer Belastung des Wälzlagers 1 im einfedernden Bereich 7 aufgrund der Strukturschwächung stärker verformen. Der einfedernde Bereich 7 ist dazu vorgesehen, ein Einfedern des Wälzlagers 1 im Messring 5 zu erlauben. Ferner ist das Sensorelement 6 dazu vorgesehen, das Einfedern des Wälzlagers 1 im Messring 5 durch Abtandsmessung zu erfassen.
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Nach 1 ist der einfedernde Bereich 7 aus einer Aussparung 8 gebildet, wobei die Aussparung 8 und somit auch der einfedernde Bereich 7 teilweise umlaufend am Messring 5 ausgebildet sind. Vorliegend erstrecken sich die Aussparung 8 und somit auch der einfedernde Bereich 7 über mehr als ein Viertel des Umfanges an einer Innenumfangsfläche des Messrings 5. Das Sensorelement 6 ist als Wirbelstromsensor ausgebildet und in dem einfedernden Bereich 7 am Messring 5 angeordnet, um bei einer Belastung des Wälzlagers 1 eine Abstandsmessung des Außenrings 3 vorzunehmen und dadurch die Belastung des Wälzlagers 1 zu erfassen.
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In 2 ist der einfedernde Bereich 7 aus einer vollständig mit einem elastischen Material 10 gefüllten Aussparung 8 gebildet. Das elastische Material 10 ist vorliegend ein Elastomer. Die Aussparung 8 und somit auch der einfedernde Bereich 7 sind teilweise umlaufend am Messring 5 ausgebildet. Vorliegend erstrecken sich die Aussparung 8 und somit auch der einfedernde Bereich 7 über mehr als ein Viertel des Umfanges an einer Innenumfangsfläche des Messrings 5. Das Sensorelement 6 ist als Wirbelstromsensor ausgebildet und in dem einfedernden Bereich 7 am Messring 5 angeordnet, um bei einer Belastung des Wälzlagers 1 eine Abstandsmessung des Außenrings 3 vorzunehmen und dadurch die Belastung des Wälzlagers 1 zu erfassen.
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In 3 ist der einfedernde Bereich 7 aus einer axial im Messring 5 ausgebildeten Nut 9 gebildet. Die Nut 9 und somit auch der einfedernde Bereich 7 sind teilweise umlaufend am Messring 5 ausgebildet. Vorliegend erstrecken sich die Nut 9 und somit auch der einfedernde Bereich 7 über mehr als ein Viertel des Umfanges radial zwischen einer Innenumfangsfläche und einer Außenumfangsfläche des Messrings 5. Das Sensorelement 6 ist als Wirbelstromsensor ausgebildet und in dem einfedernden Bereich 7 am Messring 5 angeordnet, um bei einer Belastung des Wälzlagers 1 eine Abstandsmessung des Außenrings 3 vorzunehmen und dadurch die Belastung des Wälzlagers 1 zu erfassen.
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Nach 4 ist der einfedernde Bereich 7 vollständig umlaufend am Messring 5 ausgebildet. Der einfedernde Bereich 7 ist als Aussparung 8 ausgebildet, in der eine Vielzahl Biegeelemente 11 angeordnet sind. Die Biegeelemente 11 sind einteilig mit dem Messring 5 verbunden und kommen radial am Außenring 3 zur Anlage. Das Sensorelement 6 ist als Wirbelstromsensor ausgebildet und in dem einfedernden Bereich 7 am Messring 5 angeordnet, um bei einer Belastung des Wälzlagers 1 eine Abstandsmessung des Außenrings 3 vorzunehmen und dadurch die Belastung des Wälzlagers 1 zu erfassen.
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In 5 ist der einfedernde Bereich 7 vollständig umlaufend am Messring 5 ausgebildet. Der einfedernde Bereich 7 ist als Aussparung 8 am Messring 5 ausgebildet und vollständig mit einem elastischen Material 10 gefüllt. Das elastische Material 10 ist ein Elastomer, das fest mit dem Messring 5 verbunden ist und radial am Außenring 3 zur Anlage kommt. Das Sensorelement 6 ist als Wirbelstromsensor ausgebildet und in dem einfedernden Bereich 7 am Messring 5 angeordnet, um bei einer Belastung des Wälzlagers 1 eine Abstandsmessung des Außenrings 3 vorzunehmen und dadurch die Belastung des Wälzlagers 1 zu erfassen.
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Gemäß 6 ist der Messring 5 radial umlaufend am Außenring 3 angeordnet und vollständig aus einem elastischen Material 10 ausgebildet. Das elastische Material 10 ist ein Elastomer und dazu vorgesehen, ein Einfedern des Wälzlagers 1 im Messring 5 zu erlauben, wobei das Sensorelement 6 dazu vorgesehen ist, das Einfedern des Wälzlagers 1 im Messring 5 durch Abtandsmessung zu erfassen. Das elastische Material 10 kommt radial am Außenring 3 zur Anlage. Das Sensorelement 6 ist als Wirbelstromsensor ausgebildet und im Messring 5 integriert, um bei einer Belastung des Wälzlagers 1 eine Abstandsmessung des Außenrings 3 vorzunehmen und dadurch die Belastung des Wälzlagers 1 zu erfassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlager
- 2
- Innenring
- 3
- Außenring
- 4
- Wälzkörper
- 5
- Messring
- 6
- Sensorelement
- 7
- einfedernder Bereich
- 8
- Aussparung
- 9
- Nut
- 10
- elastisches Material
- 11
- Biegeelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015203861 A1 [0003]
