-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lagervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung der Lagervorrichtung und insbesondere auf ein Wälzlager mit einer Aktorik.
-
Hintergrund
-
Bei vielen Anwendungen ist eine zuverlässige mechanische Lagerung von zueinander beweglichen Elementen wichtig. Dies betrifft beispielsweise drehbar gelagerte Wellen, die z. B. über Wälzlager an einer Lagerhalterung gehalten werden. Häufig kommt es jedoch vor, dass die Welle ungleichmäßig belastet wird und Verkantungen oder einseitige mechanische Belastungen die Bewegung erschweren und den Verschleiß vergrößern. Auch wenn sich solche ungewünschten Belastungen nicht immer vermeiden lassen, sollen negative Auswirkungen möglichst begrenzt werden.
-
Auch ein vorhandener Schmierfilm in dem Lager sollte möglichst homogen bleiben und nicht während des Betriebes an kritischen Punkten nur unzureichend ausgebildet sein. Der Schmierfilm soll vielmehr möglichst gleichmäßig in dem Lager vorhanden sein, um einen langen unkritischen Betrieb zu gewährleisten.
-
Ein weiteres Problem betrifft stromdurchflossene Lagervorrichtungen, wobei der Stromfluss zum Beispiel eine Sensorik ansteuert (z. B. um ein übertragenes Drehmoment zu erfassen). Wechselnde mechanische Belastungen führen aber oft zu wechselnde elektrische Widerstände. Der Strompfad kann sogar kurzzeitig unterbrochen werden, was die Qualität der ausgelesenen Sensorsignale deutlich verringert. Ein vorhandener Strompfad durch das Lager sollte möglichst unverändert aufrechterhalten werden, und zwar auch dann, wenn sich die mechanische Belastung des Lagers plötzlich ändert.
-
Um die negativen Auswirkungen der obengenannten Probleme zumindest teilweise zu begrenzen, werden bei gegenwärtig genutzten Lagern zum Beispiel gezielt zusätzliche axiale Lastelemente auf den Wälzlagern aufgebracht, um so beispielsweise einen Rundlauf des Wälzlagers zu erreichen.
-
Diese Maßnahmen sind jedoch oft unzureichend und daher besteht ein Bedarf nach weiteren Lagervorrichtungen, die die genannten Probleme nicht aufweisen.
-
Zusammenfassung
-
Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch eine Lagervorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung der Lagervorrichtung nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lagervorrichtung mit: einem ersten Element und einem zweiten Element, die um eine Drehachse relativ zueinander drehbar gelagert sind, einem ersten Magneten, der an das erste Element koppelt, und einem zweiten Magneten, der an das zweite Element koppelt. Der erste Magnet und der zweite Magnet umfassen zumindest einen Elektromagneten und sind derart angeordnet, dass eine (möglicherweise) parallel zur Drehachse auftretende Axialkraft zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element durch eine Ansteuerung des Elektromagneten veränderbar (z. B. verringerbar) ist.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll unter einer Lagervorrichtung jede mechanische Lagerung von zueinander beweglichen Elementen umfasst sein (wie z. B. eine drehbare Lagerung einer Welle oder anderer Komponente). Es versteht sich, dass zumindest eines der Elemente im Allgemeinen fest mit einer Halterung/einem Rahmen verbunden sein wird und sich nicht dreht, während das jeweils andere Element sich relativ dazu dreht. Bei einem Wälzlager kann beispielsweise der Außenring fest mit einer Lageraufnahme verbunden sein. Die Erfindung soll jedoch nicht auf diesen Spezialfall eingeschränkt sein, sondern beliebige relativ zueinander drehbaren Elementen umfassen, wobei die Drehachse dann in dem Bezugssystem (kann bewegt oder unbeweglich sein) definiert werden kann, in welchem zumindest eines der Elemente sich in Ruhe befindet.
-
Es versteht sich weiter, dass der erste und der zweite Magnet jedes beliebige magnetisch wirkende Element umfassen kann, auch die Anzahl der Magneten soll nicht eingeschränkt sein - solange die gewünschte Wirkung erreicht wird. So können die Magnete beispielsweise magnetisierte Teile oder Abschnitte der Vorrichtung als auch eine Spule umfassen, die erst bei einem hindurchgehenden Stromfluss magnetisch wirkt. Die Kopplung des ersten Elementes an den ersten Magneten kann beispielsweise derart sein, dass eine relative Bewegung zwischen dem ersten Element und dem ersten Magneten nicht möglich ist. Dazu muss das erste Element jedoch nicht direkt mit dem ersten Magneten verbunden sein. Es können vielmehr noch Teile dazwischen angeordnet sein, die jedoch einen eindeutig definierten Bezug zwischen diesen beiden Elementen herstellen. Analoge Einschränkungen gelten auch für das zweite Element und den zweiten Magneten.
-
Die auftretende Axialkraft kann beispielsweise eine Folge der relativen Bewegung des ersten Elementes zu dem zweiten Element sein. So kann beispielsweise eines der Elemente mit einer Welle verbunden sein, die entlang der Wellenlängsrichtung einer axialen Kraft ausgesetzt ist (beispielsweise durch eine Schrägverzahnung von darauf angeordneten Zahnrädern).
-
Optional umfasst die Lagervorrichtung außerdem eine Steuereinheit zum Ansteuern des Elektromagneten (z. B. einer Spule). Die Steuereinheit ist zum Beispiel ausgebildet, um einen Zustand eines Schmiermittels zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element zu ermitteln und basierend auf dem ermittelten Zustand, die Ansteuerung des Elektromagneten zu ändern, um die Axialkraft zu verringern oder zu erhöhen. Hierdurch kann gezielt eine Entlastung oder Belastung der Lagervorrichtung erreicht werden.
-
Optional umfasst Lagervorrichtung Mittel zum Aufprägen eines elektrischen Stromes zwischen dem ersten Element dem zweiten Element (z. B. über entsprechende Kontaktelemente und Stromleitungen). Die Steuereinheit kann dann weiter ausgebildet sein, um zumindest eine der folgenden Funktionen zu erfüllen:
- - eine Impedanz für den aufgeprägten elektrischen Strom zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element zu ermitteln und, basierend darauf, den Zustand des Schmiermittels zu ermitteln,
- - die wirkende Axialkraft in Abhängigkeit von dem Stromfluss zu ändern,
- - eine Filmdicke des Schmiermittels zu erfassen und, basierend darauf, die Ansteuerung des Elektromagneten zu ändern.
-
Ein Ändern der Axialkraft kann sowohl ein Vergrößern der Axialkraft als auch ein Verkleinern der Axialkraft umfassen. So ist es beispielsweise möglich, dass in Abhängigkeit des Stromflusses (z.B. der Stromstärke) die Axialkraft vergrößert wird, um so den elektrischen Widerstand durch das Lager möglichst klein zu halten. Es ist aber ebenfalls möglich, die Axialkraft bei einem sich vergrößernden Stromfluss zu verringern. Damit wird es zum Beispiel möglich, dass bei großen Stromflüssen ein Funkenflug verhindert werden kann, der auf die einzelnen Komponenten des Lagers einen negativen Effekt hätte (z.B. durch Oberflächenschäden). Ebenso kann gezielt ein homogener Zustand des Schmiermittels erreicht werden.
-
Die auftretende Axialkraft kann beispielsweise die axiale Komponente einer Kraft sein, die in einem Lastwinkel relativ zur Drehachse wirkt. Die Steuereinheit kann dann weiter ausgebildet sein, um den Lastwinkel zu ermitteln und, basierend darauf, die Ansteuerung des Elektromagneten zu ändern. Die Änderung des Lastwinkels kann beispielsweise derart geschehen, dass die einwirkende Last im Wesentlichen radial oder im Wesentlichen axial wirkt. So kann beispielsweise durch die Änderung des Lastwinkels ein homogener Zustand des Schmiermittels erreicht werden.
-
Optional ist das erste Element ein Außenring eines Wälzlagers oder eines Gleitlagers und das zweite Element ist ein Innenring des Wälzlagers oder des Gleitlagers. In diesem Fall kann der erste Magnet unbeweglich zu dem Außenring und zweite Magnet unbeweglich zu dem Innenring angeordnet sein. Optional sind zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element Rollelemente (Wälzelemente) angeordnet. Die Steuereinheit kann dann weiter ausgebildet sein, um eine Kontaktfläche (Hertz'sche Fläche) zwischen den Rollelementen und dem ersten Element und/oder dem zweiten Element durch ein Verändern der Axialkraft zu vergrößern, um eine Stromdichte für den Stromfluss zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element zu reduzieren.
-
Die Kontaktfläche zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element umfasst beispielsweise die Fläche zwischen dem ersten Element und den beispielhaften Rollelementen bzw. zwischen den Rollelementen und dem zweiten Element und kann durch eine Steuerung des Elektromagneten vergrößert oder verkleinert werden, um so die sogenannte Hertz'sche Fläche zu vergrößern und den elektrischen Widerstand auf diese Weise zu steuern. Auf diese Weise kann auch Funkenflug vermieden werden, der unerwünscht ist, da dies zumindest zu einem höheren Widerstand bei der Drehbewegung führt.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung der Lagervorrichtung. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Anordnen eines ersten Elements und eines zweiten Elements, die um eine Drehachse relativ zueinander drehbar gelagert sind;
- - Koppeln eines ersten Magnetens an das erste Element; und
- - Koppeln eines zweiten Magnetens an das zweite Element.
-
Der erste Magnet und der zweite Magnet umfassen zumindest einen Elektromagneten und sind derart gekoppelt, dass eine (möglicherweise) parallel zur Drehachse auftretende Axialkraft zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element durch eine Ansteuerung des Elektromagneten geändert wird (z. B. verringert wird).
-
Ausführungsbeispiele bieten eine Reihe von Vorteilen. So wirkt der erste und der zweite Magnet als ein Aktor, der entgegen der Lastrichtung beispielsweise eine Entlastung des beispielhaften Wälzlagers bewirken kann und somit zu einer Erhöhung der Lebensdauer des Lagers führt. Außerdem wird es gemäß Ausführungsbeispielen möglich, gezielt zusätzliche Lasten einzubringen, die z. B. die Schmierfilmdicke in dem beispielhaften Wälzlager ändern. Durch eine optimale Schmierfilmdicke, die die Rollelemente (Wälzkörper) vollständig von der Laufbahn auf den Lagerringen trennt, wird der Verschleiß reduziert und somit ebenfalls die Lebensdauer des Wälzlagers erhöht. Eine angepasste Verteilung der Last bringt ebenso bei einem Stromdurchgang am Wälzlager Vorteile, da damit gezielt der effektiv wirkende elektrische Widerstand beeinflusst werden kann.
-
Figurenliste
-
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
- 1 zeigt eine Lagervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
-
Detaillierte Beschreibung
-
1 zeigt eine Lagervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Lagervorrichtung umfasst ein erstes Element 110 und ein zweites Element 120, die um eine Drehachse R relativ zueinander drehbar gelagert sind. Außerdem umfasst die Lagervorrichtung einen ersten Magneten 210, der an das erste Element 110 koppelt, und eine zweiten Magneten 220, der an das zweite Element 120 koppelt. Der erste Magnet 210 ist beispielhaft ein Elektromagnet 210 (z. B. eine Spule) und ist relativ zum zweiten Magneten 220 derart angeordnet, dass eine parallel zur Drehachse R auftretende Axialkraft F zwischen dem ersten Element 110 und dem zweiten Element 120 durch eine Ansteuerung des Elektromagneten 210 geändert wird.
-
Bei dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird durch die Lagervorrichtung eine Welle 500 drehbar an einer Lageraufnahme 400 über zumindest ein Wälzlager gelagert. Der gegenüberliegende Abschnitt der Lagerhaltung (d.h. der Teil unterhalb der Welle 500) ist in der 1 nicht gezeigt, da er analog zu dem gezeigten oberen Abschnitt ausgebildet ist. Ebenso sind weitere mögliche Lagerhalterungen, die die Wellen 500 an einer anderen axialen Position halten, in der 1 nicht gezeigt. Das gezeigte Wälzlager ist beispielhaft ein einreihiges Rillenkugellager, das mit einem elektromagnetischen Aktor ausgestattet ist, wobei der Aktor wie gesagt durch den Elektromagneten 210 und den Permanentmagneten 120 gebildet wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erste Element ein Außenring 110 und das zweite Element 120 ist ein Innenring 110 des beispielhaften Wälzlagers, zwischen denen sich Rollelemente 300 befinden. Der Außenring 110 wird beispielsweise über Befestigungselemente 115 (z. B. ein Sprengring) verschiebungsfest mit der Lageraufnahme 400 verbunden. Der Innenring 120 wird beispielsweise beidseitig durch Permanentmagneten 220 (als zweite Magneten) in seiner axialen Richtung fixiert. Auf diese Weise kann der Innenring 120 sich nicht parallel zur Drehachse R der Welle 500 bewegen.
-
Außerdem ist eine Steuereinheit 250 vorgesehen, die eine Steuerung der beispielhaften Spule 210 bereitstellt, um ein geregeltes magnetische Feld aufzubauen. Die Magnetfeldlinien erstrecken sich beispielsweise zumindest teilweise entlang der Welle 500 und wechselwirken mit dem Permanentmagneten 220, um so eine Kraft zwischen der Spule 210 und dem Permanentmagneten 220 aufzubauen. Diese Kraft bewirkt eine Änderung der einwirkenden Axialkraft F, die in Abhängigkeit der Stromrichtung durch die beispielhafte Spule 210 parallel zur Drehachse R in beiden Richtungen geändert werden kann. Durch eine Verringerung der einwirkenden Axialkraft F kann somit gezielt eine Entlastung des Lagers erreicht werden.
-
Optional ist ein Strompfad durch das Lager gebildet, wobei die Welle 500 beispielhaft auf ein Massepotential „o“ liegen kann, während über die Lagerhalterung 400 ein Stromsignal (z. B. der Lagerstrom) aufgeprägt wird. Die Impedanz für das Stromsignal ändert sich in Abhängigkeit von den auf das Lager einwirkenden Kräften (da die Kontaktflächen sich ändern). Gleichzeitig ändern die einwirkenden Kräfte auch den Zustand eines Schmierfilmes zwischen dem Außenring 110 und den Rollelementen 300 bzw. zwischen den Rollelementen 300 und dem Innenring 120. Der Schmierfilm beeinflusst seinerseits die Impedanz für das Stromsignal. So kann beispielsweise eine Schmierfilmdicke in dem beispielhaften Wälzlager gezielt über eine Änderung der axialen Last F eingestellt werden. Die Regelung der wirkenden axialen Last F kann beispielsweise derart erfolgen, das der Schmierzustand möglichst homogen ist und somit das elektrische Ersatzschaltbild durch einen gleichmäßigeren Schmierungszustand an allen Wälzkörpern 300 sich vereinfacht. Hierdurch lassen sich Schädigungen am Wälzlager reduzieren oder zumindest positiv beeinflussen, da der beispielhafte elektrische Lagerstrom durch das Wälzlager möglichst funkenfrei und mit geringen Stromdichten fließen kann. Außerdem wird die Signalqualität, bei durchgeleiteten Signalen (zum Beispiel für weitere Sensoren) durch die verbesserten Leiteigenschaften deutlich verbessert.
-
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele kann die Impedanzmessung auch genutzt werden, um den Umfang der Kontaktflächen (Hertz'sche Flächen) zu ermitteln und über eine Änderung der Axialkraft F zu beeinflussen. Eine Vergrößerung der Hertz'schen Flächen bei konstanten Lagerstrom führt beispielsweise zu geringeren Schäden an den Wälzlagern infolge des Lagerstroms. Der Lagerstrom wird beispielsweise genutzt, um prozessnahe Messungen durchführen zu können, wobei die Wälzlagern als Leitelemente von Signalen und Energie von rotierenden Systemen genutzt werden. Solche Messungen sollen zum Beispiel die funktionale Sicherheit für elektrische Antriebe in Fahrzeuganwendungen sicherstellen. Zum Beispiel ist häufig das übertragene Drehmoment im elektrischen Betrieb auf zwei unterschiedlichen und voneinander unabhängigen Wegen zu ermitteln. Eine Messung direkt im rotierenden System unter Nutzung eines Stromflusses durch das Lager hindurch reduziert somit die Unsicherheit und führt zu genaueren Messwerten. Um für diese Anwendungen eine zuverlässige Signalerfassung zu ermöglichen, können Kontaktflächen daher gezielt angepasst werden.
-
Wesentliche Aspekt von Ausführungsbeispielen können wie folgt zusammengefasst werden:
-
Eine Spule 210 wird beispielsweise an einem Außenring 110 (oder einem Innenring 120) eines Wälzlagers angeordnet und ein regelbares magnetisches Feld wird erzeugt. Über dieses Feld entsteht eine Kraft an Permanentmagneten 220, die an dem Innenring 120 (oder dem Außenring 110) des Wälzlagers befestigt sind, wobei die Befestigung beispielsweise derart ist, dass die wirkende Magnetkraft in axialer Richtung wirkt. Durch eine Bestromung der Spule 210, die unabhängig von dem Lagerstrom durch das Wälzlager erfolgt, kann beispielsweise eine Steigerung der mechanischen Tragfähigkeit des Lagers durch ein besseres Kontaktbild erreicht werden. Die Stromstärke zur Ansteuerung der Spule 210 kann unabhängig von der mechanischen Beanspruchung gewählt werden.
-
Bei stromführenden Wälzlagern ist es aber auch möglich, den Strom nicht unabhängig von der Beanspruchung einzustellen, sondern gezielt die magnetische Feldstärke und die daraus resultierende Axialkraft F zu nutzen. So kann beispielsweise die Polung des ersten Magneten 210 (der Spule) derart gewählt werden, dass ein selbstverstärkendes System möglich ist. Hier wird bei einer hohen Stromlast durch das Lager die Axialkraft F durch die Spule 210 verstärkt, um ein gleichmäßiges Kontaktbild und somit einen geringen Widerstand sicherzustellen. Es kann aber auch ein sich selbstschützendes System erzielt werden, bei dem die Axialkraft mit zunehmenden Lagerstrom sinkt (z. B. wenn ein hoher Lagerstrom bereits ein Zeichen einer hohen Belastung des Lagers ist).
-
Ausführungsbeispiele können somit eine gezielte Beeinflussung des Schmierungszustandes, der Schmierfilmdicke, der Last, sowie der Lastrichtung am Wälzlager erreichen. Besonders bei der Nutzung von Wälzlagern als Element der Signalleitung, kann somit eine Anpassung des Schmierungszustandes die Signalqualität deutlich verbessern und Schädigungen durch den elektrischen Lagerstrom reduziert werden.
-
Zusammenfassend können Ausführungsbeispiele insbesondere für die folgenden Anwendungen genutzt werden:
- - Verringerung einer Axialkraft, die zwischen der Welle 500 und der Lageraufnahme 400 wirkt,
- - Einstellung des Schmierungszustandes am Wälzlager,
- - Verbesserung eines Signalflusses, wenn das Wälzlager als Leitelement für einen elektrischen Strom genutzt wird,
- - Anpassung des Schmierungszustandes über eine Schmierfilmdicke oder eine Verteilung der Last des Wälzlagers,
- - Anpassung eines Lastwinkels der einwirkenden Kraft durch die zusätzliche axiale Be- oder Entlastung. Der Lastwinkel kann bei rein axialer Belastung 90° betragen, wobei in diesem Fall alle Wälzkörper 300 gleich belastet sind, so dass sich an jedem Wälzkörper 300 ein gleicher Schmierungszustand einstellt. Mit sinkendem Lastwinkel und somit mit steigendem radialem Lastanteil werden die Wälzkörper 300 jedoch stärker inhomogen belastet und weisen unterschiedliche Schmierungszustände auf. Mit höheren axialen Lastanteil auf das Wälzlager ist also der Schmierungszustand homogener und kann über die Aktorik angepasst werden.
- - Erhöhung der Hertz'schen Fläche im Wälzlager durch zusätzliche Belastung, insbesondere bei einem Stromdurchgang durch das Wälzlager, wodurch sich die Stromdichte (Stromstärke im Verhältnis zu Hertz'schen Fläche) reduziert. Die Stromdichte ist ein zentraler Einflussfaktor auf die mögliche Schädigungen des Wälzlagers aufgrund des Stromdurchganges.
-
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Figur offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 110
- erstes Element
- 115
- Befestigungsmittel
- 120
- zweites Element
- 210
- erster Magnet
- 220
- zweiter Magnet
- 250
- Steuereinheit
- 300
- Rollelemente oder Wälzelemente
- 400
- Lageraufnahme
- 500
- Welle
- R
- Drehachse
- F
- Axialkraft
