DE102017120757A1 - Method and arrangement for determining a load of a roller bearing - Google Patents

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Christoph Wegner
Alexander Seybold
Stefan Glück
Martin Voll
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Bestimmen einer mechanischen Belastung eines Wälzlagers (02). In dem Wälzlager (02) ist ein Maschinenelement (01) rotativ gelagert. Das Maschinenelement (01) ist bevorzugt durch eine Motorspindel einer Werkzeugmaschine gebildet. Das Verfahren umfasst Schritte zum Messen einer Drehzahl (n), einer radialen Verlagerung (δrad), einer axialen Verlagerung (δax) und einer Verkippung (φ) des Maschinenelementes (01). Erfindungsgemäß wird ein das Wälzlager (02) beschreibendes Kennfeld angewendet, durch welches eine Belastung des Wälzlagers (02) in Abhängigkeit von der Drehzahl (n), von der radialen Verlagerung (δrad), von der axialen Verlagerung (δax) und von der Verkippung (φ) definiert ist. Durch das Bestimmen der mechanischen Belastung des Wälzlagers können Belastungsgrenzen des Wälzlagers erkannt und ausgenutzt werden.

Figure DE102017120757A1_0000
The present invention relates to a method and an arrangement for determining a mechanical load of a roller bearing (02). In the rolling bearing (02) a machine element (01) is rotatably mounted. The machine element (01) is preferably formed by a motor spindle of a machine tool. The method comprises steps for measuring a rotational speed (n), a radial displacement (δ rad ), an axial displacement (δ ax ) and a tilt (φ) of the machine element (01). According to the invention a rolling bearing (02) descriptive map is applied by which a load of the rolling bearing (02) in dependence on the rotational speed (n), of the radial displacement (δ rad ), of the axial displacement (δ ax ) and of the Tilting (φ) is defined. By determining the mechanical load of the rolling bearing load limits of the bearing can be detected and exploited.
Figure DE102017120757A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Bestimmen einer mechanischen Belastung eines Wälzlagers. In dem Wälzlager ist ein Maschinenelement rotativ gelagert. Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Motorspindel einer Werkzeugmaschine gebildet. Durch das Bestimmen der mechanischen Belastung des Wälzlagers können Belastungsgrenzen des Wälzlagers erkannt und ausgenutzt werden.The present invention relates to a method and an arrangement for determining a mechanical load of a roller bearing. In the rolling bearing a machine element is rotatably mounted. The machine element is preferably formed by a motor spindle of a machine tool. By determining the mechanical load of the rolling bearing load limits of the bearing can be detected and exploited.

Aus der DE 100 07 126 B4 ist eine Spindel mit einem Datenspeicherelement bekannt, bei welcher es sich insbesondere um eine Motorspindel einer Werkzeugmaschine handelt. Das Datenspeicherelement weist eine spindelintegrierte Schnittstelle zur separaten Datenübertragung und -auswertung ohne Eingriff in eine Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine auf.From the DE 100 07 126 B4 a spindle with a data storage element is known, which is in particular a motor spindle of a machine tool. The data storage element has a spindle-integrated interface for separate data transmission and evaluation without intervention in a machine control of the machine tool.

Die DE 199 19 006 C2 zeigt eine Einrichtung zum Messen von kleinen Verschiebungen zwischen dem stehenden und dem drehenden Ring eines Lagers. Die Einrichtung umfasst einen am stehenden Laufring oder Gehäuse angebrachten Messwertgeber und einer am drehenden Laufring oder Welle angeordneten Bezugsfläche. Zur Messung dient eine Ultraschallmesseinheit, die eine Ultraschallsender- und Ultraschallempfangseinheit umfasst, mit welcher Abstandsänderungen zur Bezugsfläche gemessen werden können. Bevorzugt werden mehrere dieser Ultraschallmesseinheiten verwendet, welche 90° oder 180° zueinander versetzt sind.The DE 199 19 006 C2 shows a device for measuring small displacements between the stationary and the rotating ring of a bearing. The device includes a transmitter attached to the stationary race or housing and a reference surface disposed on the rotating race or shaft. An ultrasound measuring unit is used for the measurement, which comprises an ultrasound transmitter and ultrasound receiver unit with which changes in distance to the reference surface can be measured. Preferably, several of these ultrasonic measuring units are used, which are offset by 90 ° or 180 ° to each other.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die mechanische Belastung eines Wälzlagers während eines Betriebes des Wälzlagers genauer erfassen zu können.The object of the present invention, starting from the prior art is to be able to more accurately detect the mechanical load of a rolling bearing during operation of the rolling bearing.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.Said object is achieved by a method according to the appended claim 1 and by an arrangement according to the appended independent claim 10.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Bestimmen einer mechanischen Belastung eines Wälzlagers, in welchem ein Maschinenelement rotativ gelagert wird und rotiert. Das Maschinenelement rotiert um eine Rotationsachse, welche durch eine Rotationsachse das Wälzlager festgelegt ist und somit eine Achse des Maschinenelementes und des Wälzlagers darstellt. Durch die Achse sind eine axiale Richtung, eine radiale Richtung und eine tangentiale bzw. umfängliche Richtung definiert, welche senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle gebildet. Die Welle ist bevorzugt durch eine Motorspindel gebildet. Die Welle ist bevorzugt durch die Motorspindel einer Werkzeugmaschine gebildet. Die Motorspindel umfasst eine Werkzeugaufnahme und ist hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Bei der zu bestimmenden mechanischen Belastung des Wälzlagers handelt es sich bevorzugt um eine im Wälzlager auftretende Pressung; besonders bevorzugt um eine im Wälzlager auftretende Flächenpressung, die durch eine auf eine Fläche bezogene Kraft definiert ist.The inventive method is used to determine a mechanical load of a rolling bearing, in which a machine element is rotatably mounted and rotated. The machine element rotates about a rotation axis, which is fixed by a rotation axis of the rolling bearing and thus represents an axis of the machine element and the rolling bearing. By the axis are defined an axial direction, a radial direction and a tangential or circumferential direction, which are aligned perpendicular to each other. The machine element is preferably formed by a shaft. The shaft is preferably formed by a motor spindle. The shaft is preferably formed by the motor spindle of a machine tool. The motor spindle includes a tool holder and is exposed to high mechanical loads. The mechanical load of the rolling bearing to be determined is preferably a pressure occurring in the rolling bearing; particularly preferably around a surface pressure occurring in the rolling bearing, which is defined by a force related to a surface.

In einem Schritt des Verfahrens wird eine Drehzahl des durch das Wälzlager gelagerten und sich drehenden Maschinenelementes unmittelbar oder mittelbar gemessen. Im Ergebnis liegt ein Maß für die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit des Maschinenelementes vor.In one step of the method, a rotational speed of the rolling element supported by the bearing and rotating machine element is measured directly or indirectly. As a result, a measure of the current rotational speed of the machine element is available.

In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird eine radiale Verlagerung des durch das Wälzlager gelagerten Maschinenelementes unmittelbar oder mittelbar gemessen. Im Ergebnis liegt ein Maß für die radiale Verlagerung des Maschinenelementes vor, d. h. wie weit die tatsächliche aktuelle Rotationsachse des Maschinenelementes von der durch das Wälzlager vordefinierten Rotationsachse entfernt ist. Die radiale Verlagerung ist eine Folge der mechanischen Belastung des Wälzlager und ist beispielsweise zwischen 0 und 200 µm groß.In a further step of the method, a radial displacement of the machine element mounted by the roller bearing is measured directly or indirectly. As a result, there is a measure of the radial displacement of the machine element, d. H. how far the actual current axis of rotation of the machine element is removed from the axis of rotation predefined by the rolling bearing. The radial displacement is a consequence of the mechanical load of the rolling bearing and is for example between 0 and 200 microns in size.

In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird eine axiale Verlagerung des durch das Wälzlager gelagerten Maschinenelementes unmittelbar oder mittelbar gemessen. Im Ergebnis liegt ein Maß für die axiale Verlagerung des Maschinenelementes vor, d. h. wie weit das Maschinenelement in axialer Richtung von der durch das Wälzlager vordefinierten Position des Maschinenelementes aktuell entfernt ist. Die radiale Verlagerung ist eine Folge der mechanischen Belastung des Wälzlager und ist beispielsweise zwischen 0 und 200 µm groß.In a further step of the method, an axial displacement of the machine element mounted by the roller bearing is measured directly or indirectly. As a result, there is a measure of the axial displacement of the machine element, d. H. how far the machine element is currently removed in the axial direction from the predefined by the rolling bearing position of the machine element. The radial displacement is a consequence of the mechanical load of the rolling bearing and is for example between 0 and 200 microns in size.

In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird eine Verkippung des durch das Wälzlager gelagerten Maschinenelementes unmittelbar oder mittelbar gemessen. Im Ergebnis liegt ein Maß für die Verkippung des Maschinenelementes vor, d. h. um welchen Winkel das Maschinenelement aus der durch das Wälzlager vordefinierten Rotationsachse des Maschinenelementes aktuell gekippt ist.In a further step of the method, tilting of the machine element mounted by the roller bearing is measured directly or indirectly. As a result, there is a measure of the tilt of the machine element, d. H. by what angle the machine element is currently tilted from the predefined by the rolling bearing axis of rotation of the machine element.

Erfindungsgemäß erfolgt ein Anwenden eines das Wälzlager beschreibenden Kennfeldes. Bei dem Kennfeld handelt es sich um eine Funktion, welches die Belastung des Wälzlagers in Abhängigkeit zumindest von der Drehzahl, von der radialen Verlagerung, von der axialen Verlagerung und von der Verkippung definiert. Es handelt sich somit um eine Funktion mit mindestens vier Funktionsargumenten. Zum Anwenden dieses Kennfeldes werden die gemessene Drehzahl, die gemessene radiale Verlagerung, die gemessene axiale Verlagerung und die gemessene Verkippung als Funktionsargumente verwendet, sodass sich ein Funktionswert in Form eines Maßes der mechanischen Belastung des Wälzlagers ergibt. Das Anwenden des Kennfeldes stellt eine Berechnung dar, welche bevorzugt in einem Mikrocontroller durchgeführt wird. Der Mikrocontroller ist bevorzugt am Wälzlager angeordnet. Das Kennfeld ist bevorzugt in Form von Daten im Mikrocontroller gespeichert. Das Kennfeld wird bevorzugt durch eine Simulation der durch das Maschinenelement und das Wälzlager gebildeten Anordnung ermittelt.In accordance with the invention, a characteristic diagram describing the rolling bearing is used. The map is a function that defines the load of the rolling bearing as a function of at least the rotational speed, the radial displacement, the axial displacement and the tilting. It is therefore a function with at least four function arguments. To apply this map, the measured speed, the measured radial Displacement, the measured axial displacement and the measured tilt used as functional arguments, so that a functional value in the form of a measure of the mechanical load of the bearing results. Applying the map represents a calculation which is preferably performed in a microcontroller. The microcontroller is preferably arranged on the rolling bearing. The map is preferably stored in the form of data in the microcontroller. The characteristic diagram is preferably determined by a simulation of the arrangement formed by the machine element and the roller bearing.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass Größen wie die Drehzahl, die radiale Verlagerung, die axiale Verlagerung und die Verkippung, die auf der Grundlage von Messwerten üblicher Sensoren ermittelt werden können, genutzt werden, um die mechanische Belastung des Wälzlagers genauer bestimmen zu können, sodass das Wälzlager besser ausgelastet bzw. eine Schädigung des Wälzlagers verhindert werden kann.A particular advantage of the method according to the invention is that quantities such as the rotational speed, the radial displacement, the axial displacement and the tilt, which can be determined on the basis of measured values of conventional sensors, are used to determine the mechanical load of the rolling bearing more accurately can, so that the bearings are better utilized or damage to the bearing can be prevented.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen einen weiteren Schritt, in welchem ein Signal ausgegeben wird, wenn die Belastung eine vordefinierte Belastungsgrenze erreicht. Somit erfährt ein Bediener, dass die Belastung des Wälzlagers nicht erhöht werden darf; beispielsweise dass die Drehzahl des Maschinenelementes nicht weiter erhöht werden darf.Preferred embodiments of the method according to the invention comprise a further step in which a signal is output when the load reaches a predefined load limit. Thus, an operator learns that the load of the rolling bearing must not be increased; For example, that the speed of the machine element may not be increased further.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen einen weiteren Schritt, in welchem ein mit dem Kennfeld ermitteltes Maß der mechanischen Belastung ausgegeben wird. Somit erfährt ein Bediener die aktuelle Belastung des Wälzlagers, sodass er weiß, ob und wie weit er die Belastung des Wälzlagers noch erhöhen kann. Bevorzugt wird das mit dem Kennfeld ermittelte Maß der Belastung kontinuierlich ausgegeben.Preferred embodiments of the method according to the invention comprise a further step in which a measure of the mechanical load determined using the characteristic field is output. Thus, an operator learns the current load of the bearing, so that he knows whether and how far he can increase the load on the bearing. Preferably, the measure of the load determined with the characteristic field is output continuously.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen einen weiteren Schritt, in welchem die gemessene Drehzahl, die gemessene radiale Verlagerung, die gemessene axiale Verlagerung und/oder die gemessene Verkippung ausgegeben wird bzw. ausgegeben werden. Somit erfährt ein Bediener die Maße der Parameter, welche zur Bestimmung der Belastung des Wälzlagers verwendet werden. Die gemessene Drehzahl, die gemessene radiale Verlagerung, die gemessene axiale Verlagerung und/oder die gemessene Verkippung wird bzw. werden bevorzugt kontinuierlich ausgegeben.Preferred embodiments of the method according to the invention comprise a further step in which the measured rotational speed, the measured radial displacement, the measured axial displacement and / or the measured tilt are output or output. Thus, an operator learns the dimensions of the parameters which are used to determine the load of the rolling bearing. The measured speed, the measured radial displacement, the measured axial displacement and / or the measured tilt are preferably continuously output.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zum mittelbaren Messen der radialen Verlagerung, der axialen Verlagerung und der Verkippung zunächst jeweils ein radialer Abstand zum Maschinenelement an mindestens drei umfänglichen Positionen des Maschinenelementes und jeweils ein axialer Abstand zum Maschinenelement an mindestens drei umfänglichen Positionen des Maschinenelementes gemessen. Es werden somit mindestens drei radiale Abstände zum Maschinenelement und mindestens drei axiale Abstände zum Maschinenelement gemessen. Diese Abstände können beispielsweise in Bezug auf einen auf dem Maschinenelement sitzenden Messring oder auf einen auf dem Maschinenelement sitzenden Innenring des Wälzlagers gemessen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst entsprechend bevorzugt einen Schritt, in welchem die radiale Verlagerung, die axiale Verlagerung und die Verkippung aus den mindestens drei radialen Abständen und den mindestens drei axialen Abständen bestimmt werden. Diese Bestimmung erfolgt bevorzugt durch eine Berechnung, welche bevorzugt in einem Mikrocontroller durchgeführt wird. Der Mikrocontroller ist bevorzugt am Wälzlager angeordnet.In preferred embodiments of the method according to the invention, a radial distance to the machine element at at least three circumferential positions of the machine element and an axial distance to the machine element at at least three circumferential positions of the machine element are first measured for indirectly measuring the radial displacement, the axial displacement and the tilting. Thus, at least three radial distances to the machine element and at least three axial distances to the machine element are measured. These distances can be measured, for example, with respect to a seated on the machine element measuring ring or sitting on the machine element inner ring of the bearing. Accordingly, the method according to the invention preferably comprises a step in which the radial displacement, the axial displacement and the tilting of the at least three radial distances and the at least three axial distances are determined. This determination is preferably carried out by a calculation, which is preferably carried out in a microcontroller. The microcontroller is preferably arranged on the rolling bearing.

Die mindestens drei radialen Abstände zum Maschinenelement und die mindestens drei axialen Abstände zum Maschinenelement werden jeweils ausgehend von Bezugspunkten gemessen, die bevorzugt mit einem Außenring des Wälzlagers ruhen.The at least three radial distances to the machine element and the at least three axial distances to the machine element are respectively measured starting from reference points, which preferably rest with an outer ring of the rolling bearing.

Die mindestens drei umfänglichen Positionen, an denen jeweils der radiale Abstand zum Maschinenelement gemessenen wird, sind bevorzugt gleichverteilt um die Achse des Wälzlagers, d. h. um die Rotationsachse des Wälzlagers angeordnet. Entsprechend sind die mindestens drei Bezugspunkte, von denen jeweils aus der radiale Abstand zum Maschinenelement gemessen wird, bevorzugt gleichverteilt um die Rotationsachse des Wälzlagers angeordnet. Die mindestens drei umfänglichen Positionen, an denen jeweils der radiale Abstand zum Maschinenelement gemessenen wird, sind bevorzugt auf einer zylindrischen Oberfläche des Maschinenelementes oder eines auf dem Maschinenelement sitzenden Messringes oder eines auf dem Maschinenelement sitzenden Innenringes des Wälzlagers angeordnet.The at least three circumferential positions at which in each case the radial distance to the machine element is measured are preferably distributed uniformly around the axis of the rolling bearing, ie arranged around the axis of rotation of the rolling bearing. Accordingly, the at least three reference points, each of which is measured from the radial distance to the machine element, preferably evenly distributed around the axis of rotation of the rolling bearing. The at least three circumferential positions, at each of which the radial distance to the machine element is measured, are preferably on a cylindrical surface of the machine element or a seated on the machine element measuring ring or on the Machine element sitting inner ring of the rolling bearing arranged.

Die mindestens drei umfänglichen Positionen, an denen jeweils der axiale Abstand zum Maschinenelement gemessenen wird, sind bevorzugt gleichverteilt um eine Achse des Wälzlagers, nämlich um die Rotationsachse des Wälzlagers angeordnet. Entsprechend sind die mindestens drei Bezugspunkte, von denen jeweils aus der axiale Abstand zum Maschinenelement gemessen wird, bevorzugt gleichverteilt um die Rotationsachse des Wälzlagers angeordnet. Die mindestens drei umfänglichen Positionen, an denen jeweils der axiale Abstand zum Maschinenelement gemessenen wird, sind bevorzugt auf einer kreis- oder kreisringförmigen Stirnfläche des Maschinenelementes oder eines auf dem Maschinenelement sitzenden Messringes oder eines auf dem Maschinenelement sitzenden Innenringes des Wälzlagers angeordnet. Die Stirnfläche ist senkrecht und koaxial zur Achse des Wälzlagers angeordnet.The at least three circumferential positions at which the axial distance to the machine element is measured in each case are preferably distributed uniformly about an axis of the rolling bearing, namely about the axis of rotation of the rolling bearing. Accordingly, the at least three reference points, each of which is measured from the axial distance from the machine element, preferably evenly distributed around the axis of rotation of the rolling bearing. The at least three circumferential positions at which in each case the axial distance to the machine element is measured, are preferably arranged on a circular or annular end face of the machine element or a seated on the machine element measuring ring or sitting on the machine element inner ring of the bearing. The end face is arranged perpendicular and coaxial with the axis of the rolling bearing.

Die mindestens drei umfänglichen Positionen, an denen jeweils der radiale Abstand zum Maschinenelement gemessenen wird, weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse des Wälzlagers auf. Entsprechend weisen die mindestens drei Bezugspunkte, von denen jeweils aus der radiale Abstand zum Maschinenelement gemessen wird, bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse des Wälzlagers auf.The at least three circumferential positions at which in each case the radial distance to the machine element is measured preferably have a same distance from the axis of the rolling bearing. Accordingly, the at least three reference points, of which in each case the radial distance to the machine element is measured, preferably have the same distance from the axis of the rolling bearing.

Die mindestens drei umfänglichen Positionen, an denen jeweils der axiale Abstand zum Maschinenelement gemessenen wird, weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse des Wälzlagers auf. Entsprechend weisen die mindestens drei Bezugspunkte, von denen jeweils aus der axiale Abstand zum Maschinenelement gemessen wird, bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse des Wälzlagers auf.The at least three circumferential positions at which in each case the axial distance to the machine element is measured, preferably have a same distance from the axis of the rolling bearing. Accordingly, the at least three reference points, of which in each case the axial distance to the machine element is measured, preferably have the same distance from the axis of the rolling bearing.

Besonders bevorzugt werden die radialen Abstände zum Maschinenelement an genau drei der umfänglichen Positionen gemessen. Besonders bevorzugt werden die axialen Abstände zum Maschinenelement an genau drei der umfänglichen Positionen gemessen.Particularly preferably, the radial distances are measured to the machine element at exactly three of the circumferential positions. Particularly preferably, the axial distances to the machine element at exactly three of the circumferential positions are measured.

Die radialen Abstände und die axialen Abstände zum Maschinenelement werden bevorzugt jeweils durch eine Wirbelstromabstandsmessung gemessen.The radial distances and the axial distances to the machine element are preferably measured in each case by an eddy current distance measurement.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen einen weiteren Schritt, in welchem eine Temperatur am Wälzlager gemessen wird. Im Ergebnis liegt ein Maß für die aktuell gegebene Temperatur am Wälzlager vor. Bei diesen Ausführungsformen ist durch das das Wälzlager beschreibende Kennfeld die Belastung des Wälzlagers in Abhängigkeit von der Drehzahl, von der radialen Verlagerung, von der axialen Verlagerung, von der Verkippung und auch von der Temperatur definiert. Durch das Messen der Temperatur am Wälzlager kann die Belastung des Wälzlagers noch genauer bestimmt werden.Preferred embodiments of the method according to the invention comprise a further step in which a temperature is measured on the roller bearing. As a result, there is a measure of the currently given temperature at the rolling bearing. In these embodiments, the characteristic of the rolling bearing is defined by the load of the rolling bearing as a function of the rotational speed, of the radial displacement, of the axial displacement, of the tilting and also of the temperature. By measuring the temperature at the rolling bearing, the load on the rolling bearing can be determined even more accurately.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen einen weiteren Schritt, in welchem eine radial auf das Maschinenelement wirkende Kraft und/oder eine axial auf das Maschinenelement wirkende Kraft aus den an den mindestens drei umfänglichen Positionen gemessenen radialen Abständen zum Maschinenelement und aus den an den mindestens drei umfänglichen Positionen gemessenen axialen Abständen zum Maschinenelement bestimmt wird bzw. bestimmt werden. Dies erfolgt bevorzugt durch ein Berechnen auf der Grundlage eines das Wälzlager beschreibenden mathematischen Modelles. Im Ergebnis liegen ein Maß für die radial auf das Maschinenelement aktuell wirkende Kraft und/oder ein Maß für die axial auf das Maschinenelement aktuell wirkende Kraft vor.Preferred embodiments of the method according to the invention comprise a further step in which a force acting radially on the machine element and / or an axial force acting on the machine element from the measured at the at least three circumferential positions radial distances from the machine element and from the at least three circumferential Positions measured axial distances to the machine element is determined or determined. This is preferably done by calculating on the basis of a rolling bearing bearing mathematical model. As a result, there is a measure of the force currently acting radially on the machine element and / or a measure of the force currently acting axially on the machine element.

Das Maß der radial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder das Maß der axial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft wird bzw. werden bevorzugt ausgegeben, sodass ein Bediener Kenntnis davon erlangen kann. Das Maß der radial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder das Maß der axial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft wird bzw. werden bevorzugt kontinuierlich ausgegeben.The amount of force acting radially on the machine element and / or the amount of force acting axially on the machine element is / are preferably output so that an operator can become aware thereof. The extent of the force acting radially on the machine element and / or the extent of the force acting axially on the machine element is or are preferably output continuously.

Bevorzugt wird bzw. werden ein zeitlicher Verlauf der radial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder ein zeitlicher Verlauf der axial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft aufgezeichnet. Der zeitliche Verlauf der radial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder der zeitliche Verlauf der axial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft werden bevorzugt ab einer erstmaligen Inbetriebnahme des Wälzlagers aufgezeichnet. Der zeitliche Verlauf der radial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder der zeitliche Verlauf der axial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft wird bzw. werden bevorzugt in Clustern aufgezeichnet, um Speicherplatz zu sparen.Preferably, a time profile of the force acting radially on the machine element and / or a time profile of the force acting axially on the machine element is or will be recorded. The time profile of the force acting radially on the machine element and / or the time profile of the force acting axially on the machine element are preferably recorded starting from a first start-up of the rolling bearing. The time profile of the force acting radially on the machine element and / or the time profile of the force acting axially on the machine element is or are preferably recorded in clusters in order to save storage space.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen einen weiteren Schritt, in welchem ein weiteres das Wälzlager beschreibendes Kennfeld angewendet wird, durch welches eine voraussichtliche Lebensdauer des Wälzlagers in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf der radial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und vom zeitlichen Verlauf der axial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft definiert ist. Zum Anwenden dieses weiteren Kennfeldes werden der zeitliche Verlauf der radial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und der zeitliche Verlauf der axial auf das Maschinenelement als Funktionsargumente verwendet, sodass sich die voraussichtliche Lebensdauer des Wälzlagers als Funktionswert ergibt. Die voraussichtliche Lebensdauer bzw. die verbleibende voraussichtliche Lebensdauer wird bevorzugt ausgegeben, sodass ein Bediener Kenntnis davon erlangen kann. Die voraussichtliche Lebensdauer bzw. die verbleibende voraussichtliche Lebensdauer wird bevorzugt kontinuierlich ausgegeben.Preferred embodiments of the method according to the invention comprise a further step in which a further characteristic curve describing the rolling bearing is used, by which an expected service life of the rolling bearing as a function of the time course of the force acting radially on the machine element and of the time course of the axially acting on the machine element Force is defined. To apply this further characteristic diagram, the time profile of the force acting radially on the machine element and the time profile of the axial force on the machine element are used as function arguments, so that the expected service life of the rolling bearing results as a function value. The estimated life or the remaining expected life is preferably output, so that an operator can gain knowledge thereof. The anticipated service life or the remaining expected service life is preferably output continuously.

Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Bestimmen einer Belastung eines Wälzlagers. Die Anordnung umfasst mindestens drei Sensoren zur Messung jeweils eines radialen Abstandes zum Maschinenelement. Die Anordnung umfasst mindestens drei Sensoren zur Messung jeweils eines axialen Abstandes zum Maschinenelement. Im Weiteren umfasst die Anordnung eine Messsignalverarbeitungseinheit, welche zum Bestimmen einer radialen Verlagerung des Maschinenelementes, einer axialen Verlagerung des Maschinenelementes und einer Verkippung des Maschinenelementes ausgehend von den mit den mindestens sechs Sensoren messbaren radialen und axialen Abständen konfiguriert ist. Die Messsignalverarbeitungseinheit ist zudem zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert, sodass mit der erfindungsgemäßen Anordnung ein Bestimmen der Belastung eines Wälzlagers möglich ist. Die Messsignalverarbeitungseinheit ist bevorzugt zur Ausführung einer der bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert. Die erfindungsgemäße Anordnung weist im Übrigen bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind.The arrangement according to the invention serves to determine a load of a roller bearing. The arrangement comprises at least three sensors for measuring a respective radial distance to the machine element. The arrangement comprises at least three sensors for measuring one axial each Distance to the machine element. Furthermore, the arrangement comprises a measuring signal processing unit, which is configured for determining a radial displacement of the machine element, an axial displacement of the machine element and a tilting of the machine element, starting from the radial and axial distances measurable with the at least six sensors. The measurement signal processing unit is also configured to carry out the method according to the invention, so that it is possible to determine the load of a rolling bearing with the arrangement according to the invention. The measuring signal processing unit is preferably configured to carry out one of the preferred embodiments of the method according to the invention. Incidentally, the arrangement according to the invention preferably also has features which are described in connection with the method according to the invention.

Die mindestens drei Sensoren zur Messung jeweils eines radialen Abstandes zum Maschinenelement sind bevorzugt umfänglich gleichverteilt um das Maschinenelement angeordnet. Die mindestens drei Sensoren zur Messung jeweils eines radialen Abstandes weisen bevorzugt eine gleiche axiale Position und bevorzugt eine gleiche radiale Position auf.The at least three sensors for measuring in each case a radial distance to the machine element are preferably circumferentially equally distributed around the machine element. The at least three sensors for measuring a respective radial distance preferably have a same axial position and preferably a same radial position.

Die mindestens drei Sensoren zur Messung jeweils eines axialen Abstandes zum Maschinenelement sind bevorzugt umfänglich gleichverteilt um das Maschinenelement angeordnet. Die mindestens drei Sensoren zur Messung jeweils eines axialen Abstandes weisen bevorzugt eine gleiche axiale Position und bevorzugt eine gleiche radiale Position auf.The at least three sensors for measuring in each case an axial distance to the machine element are preferably circumferentially equally distributed around the machine element. The at least three sensors for measuring in each case an axial distance preferably have a same axial position and preferably a same radial position.

Die Anordnung umfasst besonders bevorzugt genau drei der Sensoren zur Messung jeweils eines radialen Abstandes zum Maschinenelement. Die Anordnung umfasst besonders bevorzugt genau drei der Sensoren zur Messung jeweils eines axialen Abstandes zum Maschinenelement.The arrangement particularly preferably comprises exactly three of the sensors for measuring a respective radial distance to the machine element. The arrangement particularly preferably comprises exactly three of the sensors for measuring in each case an axial distance to the machine element.

Bei den mindestens sechs Sensoren handelt es sich bevorzugt jeweils um einen Wirbelstromabstandssensor.The at least six sensors are preferably each an eddy current distance sensor.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

  • 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer Schnittansicht; und
  • 2 ein erfindungsgemäß zu verwendendes Kennfeld eines Wälzlagers.
Further details, advantages and developments of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the invention, with reference to the drawing. Show it:
  • 1 a preferred embodiment of an inventive arrangement in a sectional view; and
  • 2 a map of a rolling bearing to be used according to the invention.

1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer Schnittansicht. Die Anordnung umfasst ein Maschinenelement in Form einer Welle 01, die mithilfe von zwei Wälzlagern 02 drehbar gelagert ist. Die Wälzlager 02 umfassen jeweils einen Innenring 03, Wälzkörper 04 und einen Außenring 06. Die Wälzlager 02 erlauben eine Rotation der Welle 01 um eine Rotationsachse 07. 1 shows a preferred embodiment of an arrangement according to the invention in a sectional view. The arrangement comprises a machine element in the form of a shaft 01 using two rolling bearings 02 is rotatably mounted. The rolling bearings 02 each include an inner ring 03 , Rolling elements 04 and an outer ring 06. The rolling bearings 02 allow a rotation of the shaft 01 around a rotation axis 07 ,

An einem der beiden Wälzlager 02 ist axial benachbart am Außenring 03 ein Sensorträgerring 08 angeordnet, welcher drei Sensoren 09 zum Messen jeweils eines radialen Abstandes drad zur Welle 01 und drei Sensoren 11 zum Messen jeweils eines axialen Abstandes dax zur Welle 01 trägt. In der Schnittansicht sind jeweils nur zwei der jeweils drei Sensoren 09, 11 dargestellt.At one of the two rolling bearings 02 is axially adjacent to the outer ring 03 a sensor carrier ring 08 arranged, which three sensors 09 for measuring in each case a radial distance d rad to the wave 01 and three sensors 11 for measuring in each case an axial distance d ax to the wave 01 wearing. In the sectional view, only two of each three sensors 09 . 11 shown.

An der axialen Position des Sensorträgerringes 08 ist zudem ein Messring 12 angeordnet, der fest auf der Welle 01 sitzt. Der Messring 12 umfasst einen hohlzylinderförmigen Hülsenabschnitt 13, welcher eine gleiche axiale Position wie die drei Sensoren 09 zum Messen jeweils eines radialen Abstandes drad zur Welle 01 aufweist. Der Messring 12 umfasst zudem einen kreisringförmigen Scheibenabschnitt 14, welcher eine gleiche radiale Position wie die drei Sensoren 11 zum Messen jeweils eines axialen Abstandes dax zur Welle 01 aufweist.At the axial position of the sensor carrier ring 08 is also a measuring ring 12 arranged firmly on the shaft 01 sitting. The measuring ring 12 includes a hollow cylindrical sleeve portion 13 which has the same axial position as the three sensors 09 for measuring in each case a radial distance d rad to the wave 01 having. The measuring ring 12 also includes an annular disc section 14 which has the same radial position as the three sensors 11 for measuring in each case an axial distance d ax to the wave 01 having.

Die drei Sensoren 09 zum Messen jeweils eines radialen Abstandes drad zur Welle 01 sind gleichverteilt um die Rotationsachse 07 angeordnet, sodass sie jeweils einen Winkel von 120° in Bezug auf die Rotationsachse 07 zueinander aufweisen. Die drei Sensoren 11 zum Messen jeweils eines axialen Abstandes dax zur Welle 01 sind gleichverteilt um die Rotationsachse 07 angeordnet, sodass sie jeweils einen Winkel von 120° in Bezug auf die Rotationsachse 07 zueinander aufweisen.The three sensors 09 for measuring in each case a radial distance d rad to the wave 01 are equally distributed around the axis of rotation 07 arranged so that they each have an angle of 120 ° with respect to the axis of rotation 07 to each other. The three sensors 11 for measuring in each case an axial distance d ax to the wave 01 are equally distributed around the axis of rotation 07 arranged so that they each have an angle of 120 ° with respect to the axis of rotation 07 to each other.

Eine Rotation und Belastung der Welle 01 führen dazu, dass sie eine radiale Verlagerung δrad , eine axiale Verlagerung δax und eine Verkippung φ gegenüber der idealen Rotationsachse 07 der Wälzlager 02 erfährt.A rotation and load of the shaft 01 cause them to have a radial displacement δ rad , an axial displacement δ ax and a tilt φ with respect to the ideal axis of rotation 07 the rolling bearing 02 experiences.

2 zeigt ein erfindungsgemäß zu verwendendes Kennfeld eines der in 1 gezeigten Wälzlager 02. Das Kennfeld definiert die Abhängigkeit einer durch das Maschinenelement 01 auf das jeweilige Wälzlager 02 bewirkten Flächenpressung von der radialen Verlagerung δrad , von der axialen Verlagerung δax , von der Verkippung φ und von einer Drehzahl n des rotierenden Maschinenelementes 01. Ein Graph 16 repräsentiert eine maximal zulässige Flächenpressung, die beispielsweise 4.200 N/mm2 betragen kann. 2 shows a map to be used according to the invention one of in 1 shown bearings 02 , The map defines the dependence of one through the machine element 01 to the respective rolling bearing 02 caused surface pressure of the radial displacement δ rad , from the axial displacement δ ax , of the tilting φ and of a rotational speed n of the rotating machine element 01 , A graph 16 represents a maximum allowable surface pressure, which may be 4.200 N / mm 2 , for example.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

0101
Wellewave
0202
Wälzlagerroller bearing
0303
Innenringinner ring
0404
Wälzkörperrolling elements
0505
--
0606
Außenringouter ring
0707
Rotationsachseaxis of rotation
0808
SensorträgerringSensor carrier ring
0909
Sensor zum Messen eines radialen AbstandesSensor for measuring a radial distance
1010
--
1111
Sensor zum Messen eines axialen AbstandesSensor for measuring an axial distance
1212
MessringMessring
1313
Hülsenabschnittsleeve section
1414
Scheibenabschnittdisk portion
1515
--
1616
Graphgraph

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Verfahren zum Bestimmen einer Belastung eines Wälzlagers (02), folgende Schritte umfassend: - Messen einer Drehzahl (n) eines durch das Wälzlager (02) gelagerten Maschinenelementes (01); - Messen einer radialen Verlagerung (δrad) des durch das Wälzlager (02) gelagerten Maschinenelementes (01); - Messen einer axialen Verlagerung (δax) des durch das Wälzlager (02) gelagerten Maschinenelementes (01); - Messen einer Verkippung (φ) des durch das Wälzlager (02) gelagerten Maschinenelementes (01); und - Anwenden eines das Wälzlager (02) beschreibenden Kennfeldes, durch welches eine Belastung des Wälzlagers (02) in Abhängigkeit von der Drehzahl (n), von der radialen Verlagerung (δrad), von der axialen Verlagerung (δax) und von der Verkippung (φ) definiert ist.Method for determining a load of a roller bearing (02), comprising the following steps: - measuring a rotational speed (n) of a machine element (01) mounted by the roller bearing (02); - Measuring a radial displacement (δ rad ) of the by the rolling bearing (02) mounted machine element (01); - Measuring an axial displacement (δ ax ) of the by the rolling bearing (02) mounted machine element (01); - Measuring a tilting (φ) of the by the rolling bearing (02) mounted machine element (01); and - applying a rolling bearing (02) describing characteristic diagram, by which a load of the rolling bearing (02) in dependence on the rotational speed (n), of the radial displacement (δ rad ), of the axial displacement (δ ax ) and the Tilting (φ) is defined. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es einen weiteren Schritt umfasst, in welchem ein Signal ausgegeben wird, wenn die Belastung eine Belastungsgrenze erreicht.Method according to Claim 1 , characterized in that it comprises a further step in which a signal is output when the load reaches a load limit. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es einen weiteren Schritt umfasst, in welchem die gemessene Drehzahl (n), die gemessene radiale Verlagerung (δrad), die gemessene axiale Verlagerung (δax) und/oder die gemessene Verkippung (φ) ausgegeben wird.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that it comprises a further step in which the measured rotational speed (n), the measured radial displacement (δ rad ), the measured axial displacement (δ ax ) and / or the measured tilt (φ) is output. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum mittelbaren Messen der radialen Verlagerung (δrad), der axialen Verlagerung (δax) und der Verkippung (φ) zunächst jeweils ein radialer Abstand (drad) zum Maschinenelement (01) an mindestens drei umfänglichen Positionen des Maschinenelementes (01) und jeweils ein axialer Abstand (dax) zum Maschinenelement (01) an mindestens drei umfänglichen Positionen des Maschinenelementes (01) gemessen werden.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that for indirectly measuring the radial displacement (δ rad ), the axial displacement (δ ax ) and the tilting (φ) each first a radial distance (d rad ) to the machine element (01) at least three circumferential positions of the machine element (01) and in each case an axial distance (d ax ) to the machine element (01) at at least three circumferential positions of the machine element (01) are measured. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei umfänglichen Positionen, an denen jeweils der radiale Abstand (drad) zum Maschinenelement (01) gemessenen wird, gleichverteilt um eine Achse (07) des Wälzlagers (02) angeordnet sind, und dass die mindestens drei umfänglichen Positionen, an denen jeweils der axiale Abstand (dax) zum Maschinenelement (01) gemessenen wird, gleichverteilt um die Achse (07) des Wälzlagers (02) angeordnet sind.Method according to Claim 4 characterized in that the at least three circumferential positions at each of which the radial distance (d rad ) to the machine element (01) is measured are distributed equally about an axis (07) of the rolling bearing (02) and that the at least three circumferential ones Positions at which each of the axial distance (d ax ) to the machine element (01) is measured, evenly distributed around the axis (07) of the rolling bearing (02) are arranged. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es einen weiteren Schritt umfasst, in welchem eine radial auf das Maschinenelement (01) wirkende Kraft und/oder eine axial auf das Maschinenelement (01) wirkende Kraft aus den an den drei umfänglichen Positionen gemessenen radialen Abständen (drad) zum Maschinenelement (01) und aus den an den drei umfänglichen Positionen gemessenen axialen Abständen (dax) zum Maschinenelement (01) bestimmt wird.Method according to Claim 4 or 5 characterized in that it comprises a further step in which a force acting radially on the machine element (01) and / or a force acting axially on the machine element (01) is determined from the radial distances (d rad ) measured at the three circumferential positions to the machine element (01) and from the measured at the three circumferential positions axial distances (d ax ) to the machine element (01) is determined. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es einen weiteren Schritt umfasst, in welchem ein Maß der radial auf das Maschinenelement (01) wirkenden Kraft und/oder ein Maß der axial auf das Maschinenelement (01) wirkenden Kraft ausgegeben wird.Method according to Claim 6 , characterized in that it comprises a further step in which a measure of the force acting radially on the machine element (01) and / or a measure of the force acting axially on the machine element (01) is output. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass es einen weiteren Schritt umfasst, in welchem ein weiteres das Wälzlager (02) beschreibendes Kennfeld angewendet wird, durch welches eine voraussichtliche Lebensdauer des Wälzlagers (02) in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf der radial auf das Maschinenelement (01) wirkenden Kraft und von einem zeitlichen Verlauf der axial auf das Maschinenelement (01) wirkenden Kraft definiert ist, wobei ein ermitteltes Maß der voraussichtlichen Lebensdauer ausgegeben wird.Method according to Claim 6 or 7 , characterized in that it comprises a further step in which a further characteristic diagram describing the rolling bearing (02) is applied, by which an anticipated service life of the rolling bearing (02) in dependence on a time course of the radially acting on the machine element (01) Force and a temporal course of the axially acting on the machine element (01) force is defined, wherein a determined amount of the expected life is spent. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es einen weiteren Schritt umfasst, in welchem eine Temperatur am Wälzlager (02) gemessen wird, wobei durch das das Wälzlager (02) beschreibende Kennfeld die Belastung des Wälzlagers (02) in Abhängigkeit von der Drehzahl (n), von der radialen Verlagerung (δrad), von der axialen Verlagerung (δax), von der Verkippung (φ) und von der Temperatur definiert ist.Method according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that it comprises a further step in which a temperature at the rolling bearing (02) is measured, wherein by the rolling bearing (02) descriptive map the load of the rolling bearing (02) in dependence on the speed (n), of the radial displacement (δ rad ), the axial displacement (δ ax ), the tilt (φ) and the temperature is defined. Anordnung zum Bestimmen einer Belastung eines Wälzlagers (02), folgende Komponenten umfassend: - mindestens drei Sensoren (09) zur Messung jeweils eines radialen Abstandes (drad) zum Maschinenelement (01); - mindestens drei Sensoren (11) zur Messung jeweils eines axialen Abstandes (dax) zum Maschinenelement (01); - eine Messsignalverarbeitungseinheit, welche zum Bestimmen einer radialen Verlagerung (δrad) des Maschinenelementes (01), einer axialen Verlagerung (δax) des Maschinenelementes (01) und einer Verkippung (φ) des Maschinenelementes (01) ausgehend von den mit den mindestens sechs Sensoren (09, 11) messbaren radialen und axialen Abständen (drad, dax) konfiguriert ist und die weiterhin zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 konfiguriert ist.Arrangement for determining a load of a rolling bearing (02), comprising the following components: - at least three sensors (09) for measuring in each case a radial distance (d rad ) to the machine element (01); - At least three sensors (11) for measuring in each case an axial distance (d ax ) to the machine element (01); - A measurement signal processing unit, which for determining a radial displacement (δ rad ) of the machine element (01), an axial displacement (δ ax ) of the machine element (01) and a tilt (φ) of the machine element (01) starting from the at least six Sensors (09, 11) is configured for measurable radial and axial distances (d rad , d ax ) and further for carrying out a method according to one of Claims 1 to 9 is configured.
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