DE102018222421A1

DE102018222421A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102018222421A1
Application number: DE102018222421.8A
Authority: DE
Inventors: Hedi Bachmann; Jens Wemhöner; Beate Bergrath; Peer Kruse
Original assignee: Cerobear GmbH
Current assignee: Cerobear GmbH
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-25
Also published as: US11181443B2; US20200200223A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Wälzlager, insbesondere Schrägkugellager, mit zwei Lagerringen (12a-e, 14a-e) und einer Mehrzahl von Wälzkörpern (16a-e), welche zwischen den Lagerringen angeordnet und mittels eines Lagerkäfigs (20a-e) gehalten sind, und mit zumindest einer Sensoreinheit (20a-e), welche zumindest einen Sensor (22a-e) aufweist, der zumindest zu einer Erfassung von Schwingungen innerhalb des Wälzlagers (10a-e) vorgesehen ist.Es wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine Sensor (22a-e) im Bereich eines Druckwinkels (24a-e) innerhalb eines der Lagerringe (12a-e, 14a-e) angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, insbesondere Schrägkugellager, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die WO 2005/031296 A1 beschreibt ein Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem für ein Wälzlager, bei welchem wenigstens ein Sensorelement, Leiterbahnen und elektronische Bauteile auf einem flexiblen Trägermaterial angeordnet sind. Das Sensorelement ist als Dehnmesstreifen oder Widerstandsbrücke ausgebildet. Das Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem ist in eine Umfangsnut eines Wälzlageraußenrings eingesetzt und auf einer am Nutboden aufgebrachten Klebstoffschicht befestigt.
Aufgabe der Erfindung ist es ein gattungsgemäßes Wälzlager mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich einer Erkennung, insbesondere einer Früherkennung, von Lagerschäden bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Wälzlager, insbesondere einem Schrägkugellager, mit zwei Lagerringen und einer Mehrzahl von Wälzkörpern, welche zwischen den Lagerringen angeordnet und mittels eines Lagerkäfigs gehalten sind, und mit zumindest einer Sensoreinheit, welche zumindest einen Sensor aufweist, der zumindest zu einer Erfassung von Schwingungen innerhalb des Wälzlagers vorgesehen ist.
Es wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine Sensor im Bereich eines Druckwinkels innerhalb eines der Lagerringe angeordnet ist. Insbesondere ist der Sensor in einem Bereich angeordnet, welcher insbesondere um maximal 15°, vorteilhaft um maximal 10° und bevorzugt um maximal 5° von dem Druckwinkel abweicht. Vorzugsweise liegt der Bereich, in welchem der Sensor angeordnet ist, exakt im Druckwinkel.
Das Wälzlager kann insbesondere als ein Radiallager oder als ein Axiallager ausgebildet sein. Ist das Wälzlager als ein Radiallager ausgebildet, so bildet einer der Lagerringe einen Innenring und ein weiterer Lagerring einen Außenring des Wälzlagers aus. Ist das Wälzlager als ein Axiallager ausgebildet, so bildet einer der Lagerringe eine Wellenscheibe ein weiterer Lagerring eine Gehäusescheibe aus. Das Wälzlager kann insbesondere als ein Kugellager, ein Rollenlager und/oder ein Nadellager ausgebildet sein. Insbesondere kann das Wälzlager als ein Schrägkugellager ausgebildet sein. Schrägkugellager weisen in Richtung einer Lagerachse gegeneinander versetzt angeordnete Laufbahnen im Innenring und Außenring auf. Sie sind deswegen besonders für Lagerungen geeignet, die kombinierte Belastungen, d.h. gleichzeitig wirkende Radial- und Axialbelastungen, aufnehmen müssen. Abhängig von einer Ausbildung des Wälzlagers sind die Wälzkörper insbesondere als Kugeln, Zylinderrollen oder Nadelrollen ausgebildet.
Die Wälzkörper sind in Umfangsrichtung um die Drehachse des Wälzlagers zwischen den Lagerringen angeordnet und wälzen auf Laufbahnen der Lagerringe des Wälzlagers ab. Das Wälzlager weist einen Lagerkäfig auf, welcher dazu vorgesehen ist, die Wälzkörper in Umfangsrichtung in einem zumindest im Wesentlichen äquidistanten Winkelabstand zueinander anzuordnen. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Insbesondere weist der Lagerkäfig eine Vielzahl von Wälzkörperausnehmungen auf, in welchen die Wälzkörper des Wälzlagers angeordnet sind.
Zu einer Erkennung von Lagerschäden, insbesondere zu einer Früherkennung von Lagerschäden, an dem Wälzlager weist die Wälzlagervorrichtung eine Sensoreinheit auf, welche dazu vorgesehen ist, zumindest ein für einen entstehenden und/oder bestehenden Lagerschaden charakteristisches Signal zu erfassen und/oder zu erkennen. Unter einer „Sensoreinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, insbesondere physikalische und/oder chemische Eigenschaften und/oder die stoffliche Beschaffenheit ihrer Umgebung qualitativ und/oder als Messgröße quantitativ zu erfassen. Die Sensoreinheit weist zumindest einen Sensor auf, der zumindest zu einer Erfassung von Schwingungen innerhalb des Wälzlagers, insbesondere innerhalb zumindest eines Lagerrings und/oder des Lagerkäfigs, vorgesehen ist. Alternativ kann die Sensoreinheit jedoch auch eine Mehrzahl von gleichartigen oder verschiedenartigen Sensoren aufweisen, von denen zumindest einer zu einer Erfassung von Schwingungen innerhalb des Wälzlagers vorgesehen ist. Der Sensor der Sensoreinheit ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass dieser Schwingungen innerhalb zumindest eines Lagerrings des Wälzlagers erfassen kann. Während eines Betriebs des Wälzlagers erfasst die Sensoreinheit mittels des innerhalb eines Lagerrings angeordneten Sensors Schwingungen innerhalb zumindest eines Lagerrings des Wälzlagers. Die erfassten Schwingungen werden insbesondere mittels einer Frequenzanalyse auf einen Amplitudenanstieg in einem Frequenzbereich, welcher oberhalb einer Überrollfrequenz der Lagerringe liegt, überwacht. Solch ein Amplitudenanstieg ist charakteristisch für einen entstehenden Lagerschaden. Die Erfassung und/oder Überwachung der Schwingungen erfolgt insbesondere kontinuierlich. Die Sensoreinheit ist insbesondere als eine Elektronikeinheit ausgebildet, welche neben dem zumindest einen Sensor eine Mehrzahl von Elektronikkomponente und/oder Elektronikbaugruppen, beispielswiese Signalverstärker und/oder Filter, umfassen kann.
Der Sensor ist vorzugsweise als Beschleunigungssensor ausgebildet. Alternativ kann der Sensor auch als andere dem Fachmann als geeignet erscheinender Sensor, beispielsweise als Dehnungsmessstreifen, als Schwingungssensor, als Körperschallsensor und/oder eine Kombination verschiedener Sensortypen, ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist der Sensor als piezoelektronische Sensor, vorzugsweise als piezoelektronische Beschleunigungssensor, oder MEMS-Sensor, vorzugsweise MEMS-Beschleunigungssensor, ausgebildet.
Der Sensor der Sensoreinheit ist unmittelbar in einem der Lagerringe angeordnet. Vorzugsweise ist die gesamte Sensoreinheit innerhalb eines der Lagerringe angeordnet. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zumindest der Sensor oder die gesamte Sensoreinheit in einem Lageraußenring angeordnet ist. Insbesondere kontaktiert der Sensor ein Material des Lagerrings unmittelbar. Hierdurch können innerhalb des Lagerrings auftretende Schwingungen vorteilhaft exakt und/oder zuverlässig durch den Sensor erfasst werden. Innerhalb des Lagerrings ist der Sensor im Bereich eines Druckwinkels des Wälzlagers angeordnet. Als Druckwinkel wird der kleinste Winkel der Drucklinie gegenüber der lotrechten Radialebene bezeichnet. Die Drucklinie entsteht aus der theoretischen Betrachtung, dass der einzelne Wälzkörper die Laufbahnen am Innenring und Außenring in je genau einem Punkt berührt. Verbindet man diese Berührungspunkte, so erhält man die Drucklinie, die genau durch den Mittelpunkt des Wälzkörpers verläuft. Die Drucklinie beschreibt somit die Wirkungslinie, auf welcher eine äußere, an dem Wälzlager angreifende Kraft von einem Rollbahnelement über die Wälzkörper auf das andere Rollbahnelement übertragen wird.
Durch eine derartige Ausgestaltung der Erfindung kann ein gattungsgemäßes Wälzlager mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich einer Erkennung, insbesondere einer Früherkennung, von Lagerschäden bereitzustellen bereitgestellt werden. Insbesondere können durch die Anordnung des Sensors im Bereich eines Druckwinkels des Wälzlagers innerhalb eines Lagerrings im Wälzlager auftretende Schwingungen zur Erkennung von Lagerschäden vorteilhaft zuverlässig unmittelbar innerhalb eines Lagerrings des Wälzlagers erfasst werden. Ferner kann durch die Anordnung des Sensors innerhalb eines Lagerrings eine Außengeometrie des Wälzlagers vorteilhaft unberührt bleiben und eine vorteilhaft hohe Integrationsdichte erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Sensor derart innerhalb des Lagerrings angeordnet ist, dass eine Erfassungsrichtung des Sensors im Druckwinkel des Wälzlagers verläuft. Insbesondere verläuft die Erfassungsrichtung des Sensors zumindest im Wesentlichen entlang der Drucklinie. Die Erfassungsrichtung weist dabei insbesondere in Richtung der Laufbahn des Lagerrings, in welchem der Sensor angeordnet ist. Hierdurch kann eine vorteilhaft exakte und/oder zuverlässige Erfassung von Schwingungen innerhalb des Lagerrings erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Sensor in ein Material des Lagerrings eingebettet ist. Unter „eingebettet“ soll insbesondere zumindest formschlüssig, vorteilhaft spielfrei, vorzugsweise stoffschlüssig verbunden und/oder umschlossen verstanden werden. Unter „umschlossen“ soll insbesondere verstanden werden, dass zumindest einem Teil, insbesondere zumindest 50 %, vorteilhaft zumindest 75 %, besonders vorteilhaft zumindest 85 % und vorzugsweise zumindest 95 %, von Randpunkten des Sensors, die Kontakt zu dem Material des Lagerrings aufweisen, ein Randpunkt des Sensors gegenüberliegt, der ebenfalls Kontakt zu dem Material des Lagerrings aufweist. Vorzugsweise ist der Sensor vollständig von dem Material des Lagerrings umschlossen und somit vollständig in das Material des Lagerrings eingebettet. Hierdurch kann eine vorteilhafte Anordnung des Sensors innerhalb eines Lagerrings erreicht werden. Insbesondere kann der Sensor vorteilhaft vor äußeren Einflüssen geschützt werden. Ferner kann durch die Einbettung des Sensors in das Material des Lagerrings eine vorteilhaft zuverlässige Erfassung von Schwingungen innerhalb des Lagerrings erreicht werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass zumindest der Lagerring, in welchem der Sensor angeordnet ist, zumindest teilweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist. Vorzugsweise kann der Lagerring vollständig mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein. Der Lagerring kann beispielsweise zumindest teilweise oder vollständig mittels selektiven Laserschmelzens (SLM), mittels Elektronenstrahlschmelzens (EBM), mittels Direct Metal Laser Sintering (DMLS) oder mittels eines anderen additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein. Der zumindest eine Lagerring, in welchem der Sensor angeordnet ist, kann beispielsweise zumindest im Wesentlichen aus M50, APS®2060 und/oder einem anderem dem Fachmann als geeignet erscheinenden Lagerstahl bestehen. Zum Anordnen des Sensors in einem Lagerring, wird der Lagerring zunächst bis zu der Position, an welcher eine Anordnung des Sensors innerhalb des Lagerrings vorgesehen ist, additiv aufgebaut. Alternativ kann der Lagerring unter Berücksichtigung der Position, an welcher eine Anordnung des Sensors vorgesehen ist, konventionell gefertigt werden. Darauffolgend wird der Sensor an der vorgesehenen Position in den Lagerring eingesetzt, worauf der Aufbau des Lagerrings additiv fortgesetzt und/oder abgeschlossen wird. Insbesondere können beide Lagerringe des Wälzlagers mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein. Hierdurch kann vorteilhaft eine Einbettung des Sensors in das Material des Lagerrings erreicht werden. Ferner können Materialschwächungen, wie sie bei einem Einbringen von Materialausnehmungen und/oder Hohlräumen zum Anordnen eines Sensors in konventionell gefertigten Lagerringen auftreten, vorteilhaft vermieden werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Sensor im Bereich einer Laufbahn innerhalb des Lagerrings angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Sensor unterhalb, insbesondere unmittelbar unterhalb, der Laufbahn angeordnet. Insbesondere kann der Sensoren unmittelbar in die Laufbahn und/oder unter der Laufbahn eingebettet sein. Die Laufbahn ist vorzugsweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf den Sensor aufgebracht. Die Laufbahn kann beispielsweise mittels selektiven Laserschmelzens (SLM), mittels Elektronenstrahlschmelzens (EBM), mittels Direct Metal Laser Sintering (DMLS) oder mittels eines anderen additiven Fertigungsverfahrens auf den Sensor aufgebracht sein. Zum Anordnen des Sensors in einem Lagerring unterhalb der Laufbahn, wird der Lagerring zunächst bis zu der Position, an welcher eine Anordnung des Sensors unterhalb der Laufbahn vorgesehen ist, additiv aufgebaut. Alternativ kann der Lagerring unter Berücksichtigung der Position, an welcher eine Anordnung des Sensors vorgesehen ist, konventionell gefertigt sein. Darauffolgend wird der Sensor an der vorgesehenen Position in den Lagerring eingesetzt, worauf die Laufbahn mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf den Sensor aufgebracht wird. Zur Anordnung unterhalb der Laufbahn kommen insbesondere als Dehnungsmessstreifen ausgebildete Sensoren in Frage. Alternativ ist es auch denkbar, gezielt Schichten durch additive Fertigung zu erzeugen, die gedehnt werden können, d.h. Eigenschaften eines Dehnungsmessstreifens aufweisen, ohne dass ein Dehnungsmesstreifen eingebracht werden muss. Hierdurch kann vorteilhaft eine Einbettung des Sensors unterhalb der Laufbahn des Lagerrings erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit eine Auswerteeinheit umfasst, welche dazu vorgesehen ist, ein Überschreiten eines festgelegten Grenzwerts durch einen Sensormesswert zu erkennen. Unter einer „Auswerteeinheit“ soll insbesondere eine elektronische Einheit verstanden werden, welche insbesondere zumindest eine Prozessoreinheit und/oder zumindest eine Speichereinheit, insbesondere mit einem in der zumindest einen Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm, umfasst. Vorzugsweise weist die Auswerteeinheit einen Mikrocontroller auf. Insbesondere ist die Auswerteeinheit zu einer vorzugsweise kontinuierlichen Auswertung der Sensormesswerte vorgesehen. Insbesondere ist der Sensor dazu vorgesehen, die Sensormesswerte vorzugsweise kontinuierlich drahtgebunden oder drahtlos an die Auswerteeinheit zu übertragen. Alternativ kann die Auswerteeinheit dazu vorgesehen sein, die Sensormesswerte vorzugsweise kontinuierlich drahtlos oder drahtgebunden von dem Sensor abzurufen. Die Auswerteeinheit kann insbesondere ebenso wie der Sensor innerhalb des Lagerrings angeordnet sein. Alternativ kann die Auswerteeinheit jedoch zumindest teilweise auch außerhalb des Lagerrings angeordnet sein. Die von dem Sensor an die Auswerteeinheit übertragenen Sensormesswerte enthalten zumindest eine Information über in dem Lagerring auftretende und von dem Sensor erfasste Schwingungen. Die Auswerteeinheit ist insbesondere dazu vorgesehen die Sensormesswerte insbesondere mittels einer Frequenzanalyse auf einen Amplitudenanstieg in einem Frequenzbereich, welcher oberhalb einer Überrollfrequenz der Lagerringe liegt, zu überwachen. Hierdurch kann eine vorteilhafte Auswertung der Sensormesswerte im Hinblick auf entstehende Lagerschäden erfolgen.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit eine Ausgabeeinheit umfasst, welche dazu vorgesehen ist, bei Auftreten einer Grenzwertüberschreitung ein Ausgabesignal zu erzeugen. Vorzugsweise wird bei einem von der Auswerteeinheit detektierten Auftreten einer Grenzwertüberschreitung unmittelbar ein Ausgabesignal erzeugt und/oder übertragen. Die Ausgabeeinheit kann insbesondere als eine optische und/oder akustische Ausgabeeinheit ausgebildet sein, welche zumindest ein optisches Ausgabemittel, beispielsweise eine LED, und/oder zumindest ein akustisches Ausgabemittel, beispielswiese einen Lautsprecher oder einen Summer, aufweist. Bei einer Ausbildung der Ausgabeeinheit als eine optische und/oder akustische Ausgabeeinheit ist die Ausgabeeinheit insbesondere dazu vorgesehen, bei einer Grenzwertüberschreitung ein optisches und/oder ein akustisches Signal auszugeben. Alternativ oder zusätzlich kann die Ausgabeeinheit als eine drahtgebundene und/oder vorzugsweise drahtlose Sendeeinheit ausgebildet sein. Bei einer Ausbildung der Ausgabeeinheit als eine Sendeeinheit ist die Ausgabeeinheit insbesondere dazu vorgesehen, bei einer Grenzwertüberschreitung ein elektrisches und/oder elektromagnetisches Signal an einen übergeordneten Empfänger zu übertragen. Die Ausgabeeinheit kann ebenso wie der Sensor innerhalb des Lagerrings angeordnet sein. Alternativ kann die Ausgabeeinheit jedoch zumindest teilweise auch außerhalb des Lagerrings angeordnet sein. Hierdurch kann vorteilhaft zuverlässig das Vorliegen und/oder die Entstehung eines Lagerschadens signalisiert werden.
Zudem wird ein Verfahren zur Früherkennung eines Lagerschadens an einem erfindungsgemäßen Wälzlager, insbesondere einem Schrägkugellager, mit zwei Lagerringen und einer Mehrzahl von Wälzkörpern, welche zwischen den Lagerringen angeordnet und mittels eines Lagerkäfigs gehalten sind, und mit zumindest einer Sensoreinheit, welche zumindest einen Sensor aufweist, der zumindest zu einer Erfassung von Schwingungen innerhalb des Wälzlagers vorgesehen ist, bei welchem mittels der Sensoreinheit Schwingungen innerhalb zumindest eines Lagerrings erfasst und mittels einer Frequenzanalyse auf einen Amplitudenanstieg in einem Frequenzbereich, welcher oberhalb einer Überrollfrequenz der Lagerringe liegt, überwacht wird. Insbesondere deckt die Überwachung dabei einen Frequenzbereich vom Nullwert bis zu einem definierten Frequenzwert, der etwa Faktor 15 der Überrollfrequenz der Lagerringe beträgt, vollständig ab. Bei einem entstehenden Lagerschaden kommt es in einem höheren Frequenzbereich, welcher insbesondere etwa das 2 bis 4-fache der Überrollfrequenz der Lagerringe beträgt, zu einem Amplitudenanstieg innerhalb eines definierten Frequenzfensters. Dieses Frequenzfenster kann insbesondere eine Breite von etwa 100 bis 250 Hz aufweisen. Übersteigt die Amplitude in dem definierten Frequenzfenster einen festgelegten Grenzwert kann daran ein entstehender Lagerschaden erkannt werden. Das Verfahren kann für alle Arten von Wälzlagern, wie beispielsweise Kugellagern, Rollenlagern (Kegelrollen, sphärische Rollen, Zylinderrollen, Tonnenrollen), Radial- und Axiallagern, Hybrid-, Keramik- und Stahllagern sowie Kreuzrollenlager verwendet werden. Hierdurch kann eine vorteilhaft zuverlässige Erkennung, insbesondere Früherkennung, von Lagerschäden an einem Wälzlager erfolgen.
Das erfindungsgemäße Wälzlager und/oder das erfindungsgemäße Verfahren soll/sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Wälzlager und/oder das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen, Einheiten und/oder Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind fünf Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 eine Schnittdarstellung eines Wälzlagers mit einer in einer stirnseitigen Nut angeordneten Sensoreinheit, wobei ein Sensor der Sensoreinheit innerhalb eines Bereichs des Druckwinkels des Wälzlagers angeordnet ist,
2 eine stirnseitige Draufsicht auf das Wälzlager gemäß 1,
3 eine stirnseitige Draufsicht auf das Wälzlager gemäß 1 mit einer alternativen Ausbildung der Sensoreinheit,
4 ein beispielhaftes Frequenzspektrum, anhand welchem ein entstehender Lagerschaden detektierbar ist,
5 eine Schnittdarstellung eines alternativen Wälzlagers mit einer in einer Umfangsnut angeordneten Sensoreinheit, wobei ein Sensor der Sensoreinheit innerhalb eines Bereichs des Druckwinkels des Wälzlagers angeordnet ist,
6 eine Schnittdarstellung eines weiteren alternativen Wälzlagers mit einer in den Lageraußenring eingebetteten Sensoreinheit, wobei die Erfassungsrichtung eines Sensors der Sensoreinheit im Druckwinkel verläuft,
7 eine Schnittdarstellung eines weiteren alternativen Wälzlagers mit einer auf einer senkrecht zum Druckwinkel verlaufenden Montagefläche angeordneten Sensoreinheit, wobei die Erfassungsrichtung eines Sensors der Sensoreinheit im Druckwinkel verläuft, und
8 eine Schnittdarstellung eines weiteren alternativen Wälzlagers mit einer unterhalb einer Laufbahn angeordneten Sensoreinheit.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Wälzlagers 10a. Das Wälzlager 10a ist hier beispielhaft als ein Schrägkugellager ausgebildet. Das Wälzlager 10a weist zwei Lagerringe 12a, 14a auf, wobei ein erster Lagerring 12a einen Lageraußenring 30a und ein zweiter Lagerring 14a einen Lagerinnenring 42a ausbildet. Ferner weist das Wälzlager 10a einer Mehrzahl von Wälzkörpern 16a auf, welche zwischen den Lagerringen 12a, 14a angeordnet sind. Die Wälzkörper 16a sind zwischen den Lagerringen 12a, 14a mittels eines Lagerkäfigs 20a gehalten.
Zudem weist das Wälzlager 10a eine Sensoreinheit 20a auf. Die Sensoreinheit 20a umfasst zumindest einen Sensor 22a, der zum Zweck einer Früherkennung von Lagerschäden zumindest zu einer Erfassung von Schwingungen innerhalb des Wälzlagers 10a vorgesehen ist. Der Sensor 22a ist vorzugsweise als Beschleunigungssensor ausgebildet. Der Sensor 22a ist vorzugsweise als piezoelektronischer Sensor, vorzugsweise piezoelektronischer Beschleunigungssensor, oder als MEMS-Sensor, vorzugsweise MEMS-Beschleunigungssensor ausgebildet. Neben dem Sensor 22a kann die Sensoreinheit 20a eine Mehrzahl von Elektronikkomponente und/oder Elektronikbaugruppen, beispielswiese Signalverstärker und/oder Filter, umfassen. Während eines Betriebs des Wälzlagers 10a erfasst die Sensoreinheit 20a mittels des innerhalb eines Lagerrings 12a angeordneten Sensors 22a Schwingungen innerhalb des Lagerrings 12a.
Der Sensor 20a ist innerhalb eines der Lagerringe 12a, 14a angeordnet. Vorzugsweise ist der Sensor 20a jeweils in dem in einer Anwendung des Wälzlagers 10a feststehenden Lagerring 12a, 14a angeordnet. In der dargestellten Ausführung des Wälzlagers 10a ist der Sensor 20a der Sensoreinheit 20a im Bereich eines Druckwinkels 24a innerhalb des den Lageraußenring 30a ausbildenden Lagerrings 12a angeordnet. Alternativ wäre es jedoch ebenso denkbar, dass der Sensor 22a der Sensoreinheit 20a im Bereich eines Druckwinkels 24a innerhalb des den Lagerinnenring 42a ausbildenden Lagerrings 14a angeordnet ist.
Die von dem Sensor 22a erfassten Schwingungen werden mittels einer Frequenzanalyse auf einen Amplitudenanstieg 62a in einem Frequenzbereich, welcher oberhalb einer Überrollfrequenz der Lagerringe 12a, 14a liegt, überwacht (vgl. 4). Hierzu umfasst die Sensoreinheit 20a eine Auswerteeinheit 32a (vgl. 2 und 3). Die Auswerteeinheit 32a ist dazu vorgesehen, ein Überschreiten eines festgelegten Grenzwerts 34a durch einen Sensormesswert 36a zu erkennen. Insbesondere ist die Auswerteeinheit 32a dazu vorgesehen, einen Amplitudenanstieg 62a innerhalb des überwachten Frequenzbereichs über einen festgelegten Grenzwert 34a hinaus zu erkennen. Insbesondere ist die Auswerteeinheit 32a zu einer vorzugsweise kontinuierlichen Auswertung der Sensormesswerte 36a vorgesehen. Der Sensor 22a überträgt die Sensormesswerte 36a vorzugsweise kontinuierlich an die Auswerteeinheit 32a. Neben der Auswerteeinheit 32a weist die Sensoreinheit 20a eine Ausgabeeinheit 38a auf (vgl. 2 und 3). Die Ausgabeeinheit 38a ist dazu vorgesehen, bei Auftreten einer durch die Auswerteeinheit 32a festgestellten Grenzwertüberschreitung in dem überwachten Frequenzbereich ein Ausgabesignal zu erzeugen. Vorzugsweise wird bei einem von der Auswerteeinheit 32a detektierten Auftreten einer Grenzwertüberschreitung unmittelbar ein Ausgabesignal erzeugt und/oder übertragen. Vorzugsweise ist die Ausgabeeinheit 38a als eine drahtgebundene und/oder vorzugsweise drahtlose Sendeeinheit ausgebildet sein. Die Ausgabeeinheit 38a ist insbesondere dazu vorgesehen, bei einer Grenzwertüberschreitung ein elektrisches und/oder elektromagnetisches Signal an einen übergeordneten Empfänger zu übertragen.
Zur Anordnung des Sensors 20a weist der als Lageraußenring 30a ausgebildete Lagerring 12a an seiner Stirnseite 44 eine Nut 46a auf. Die Nut 46a ist vorzugsweise umlaufend ausgebildet. Die Nut 46a ist zumindest zur Aufnahme des Sensors 22a vorgesehen. Vorzugsweise kann jedoch auch die gesamte Sensoreinheit 20a innerhalb der Nut 46a in dem Lagerring 12a angeordnet sein (vgl. 2 und 3). Durch die Anordnung des Sensors 22a oder der gesamten Sensoreinheit 20a innerhalb der Nut 46a ist der Sensor 22a derart innerhalb des Lagerrings 12a angeordnet, dass sich der Sensor 22a zumindest im Wesentlichen innerhalb eines Bereichs des Druckwinkels 24a befindet.
In den 2 und 3 ist jeweils eine Ansicht des Wälzlagers 10a mit Blick auf die Stirnseite 44a des Lagerrings 12a dargestellt. Die Nut 46a ist als eine auf der Stirnseite 44a des Lagerrings 12a durchgehende, ringförmige Nut 46a ausgebildet. In der Nut 46a ist jeweils die gesamte Sensoreinheit 20a angeordnet. In der 2 ist die Sensoreinheit 20a in Form von zwei kreissegmentförmigen Leiterplatten 48a innerhalb der Nut 46a angeordnet. Bei den Leiterplatten 48a handelt es sich um eine Sensorleiterplatte 50a, auf welcher der Sensor 22a angeordnet ist und um eine Zusatzleiterplatte 52a, auf welcher zumindest die Auswerteeinheit 32a, die Ausgabeeinheit 38a und eine Spannungsversorgung 56a angeordnet sind. Die Sensorplatine 50a und die Zusatzplatine 52a können wie dargestellt über eine Kabelverbindung 54a miteinander verbunden sein. In der 3 ist die Sensoreinheit 20a in Form einer einzelnen kreisförmig geschlossenen Leiterplatte 48a innerhalb der Nut 46a angeordnet. Auf der Leiterplatte 48a sind zumindest sowohl der Sensor 22a als auch die Auswerteeinheit 32a, die Ausgabeeinheit 38a und eine Spannungsversorgung 56a angeordnet. Die Spannungsversorgung 56a kann in beiden Fällen beispielsweise über eine hier nicht dargestellte Kabelverbindung erfolgen, welche über eine Ausnehmung 60a in die Nut 46a hineingeführt und mit einem Steckkontakt 60a auf der Leiterplatte 48a bzw. der Zusatzplatine 52a verbunden ist. Alternativ kann die Spannungsversorgung 56a auch als eine Batterie und/oder ein geeigneter Energy Harvester ausgebildet sein. Zum Schutz der Sensoreinheit 20a kann diese innerhalb der Nut 46a mit einer Vergussmasse eingegossen sein.
Zur Früherkennung eines Lagerschadens an dem Wälzlager 10a werden mittels der Sensoreinheit 20a Schwingungen innerhalb des Lagerrings 12a erfasst und mittels einer Frequenzanalyse auf einen Amplitudenanstieg 62a in einem Frequenzbereich, welcher oberhalb einer Überrollfrequenz der Lagerringe 12a,14a liegt, überwacht wird. Ein beispielhaftes Frequenzspektrum ist in 4 dargestellt. Bei einem entstehenden Lagerschaden kommt es in einem höheren Frequenzbereich, welcher insbesondere etwa das 2 bis 4-fache der Überrollfrequenz der Lagerringe beträgt, zu einem Amplitudenanstieg 62a innerhalb eines definierten Frequenzfensters 64a. Dieses Frequenzfenster 64a kann insbesondere eine Breite von etwa 100 bis 300 Hz aufweisen. Übersteigt die Amplitude in dem definierten Frequenzfenster 64a einen festgelegten Grenzwert 34a kann daran ein entstehender Lagerschaden erkannt werden.
In den 5 bis 8 sind vier weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung des anderen Ausführungsbeispiels, insbesondere der 1 bis 4, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 4 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 5 bis 8 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis e ersetzt.
5 zeigt eine Schnittdarstellung eines alternativ ausgebildeten Wälzlagers 10b. Das Wälzlager 10b weist zwei Lagerringe 12b, 14b auf, wobei ein erster Lagerring 12b einen Lageraußenring 30b und ein zweiter Lagerring 14b einen Lagerinnenring 42b ausbildet.
Das Wälzlager 10b weist eine Sensoreinheit 20b mit zumindest einem Sensor 22b auf, der zum Zweck einer Früherkennung von Lagerschäden zumindest zu einer Erfassung von Schwingungen innerhalb des Wälzlagers 10b vorgesehen ist. Der Sensor 20b ist innerhalb des Lageraußenrings 30b im Bereich des Druckwinkels 24b des Wälzlagers 10b angeordnet.
Zur Anordnung des Sensors 20b weist der Lageraußenring 30b an seinem Außenumfang 66b eine Nut 46b auf. Die Nut 46 ist vorzugsweise umlaufend ausgebildet. Die Nut 46b ist zumindest zur Aufnahme des Sensors 22b vorgesehen. Vorzugsweise kann jedoch auch die gesamte Sensoreinheit 20b innerhalb der Nut 46b in dem Lagerring 12b angeordnet sein. Durch die Anordnung des Sensors 22b oder der gesamten Sensoreinheit 20b innerhalb der Nut 46b ist der Sensor 22b derart innerhalb des Lagerrings 12b angeordnet, dass sich der Sensor 22b zumindest im Wesentlichen innerhalb eines Bereichs des Druckwinkels 24b befindet. Um ein Einbringen der Sensoreinheit 20b in die Nut 46b zu ermöglichen, sind die Elemente der Sensoreinheit 20b vorzugsweise auf eine flexible Leiterplatte 48b aufgebracht.
6 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Wälzlagers 10c. Das Wälzlager 10c weist zwei Lagerringe 12c, 14c auf, wobei ein erster Lagerring 12c einen Lageraußenring 30c und ein zweiter Lagerring 14c einen Lagerinnenring 42c ausbildet.
Das Wälzlager 10c weist eine Sensoreinheit 20c mit zumindest einem Sensor 22c auf, der zum Zweck einer Früherkennung von Lagerschäden zumindest zu einer Erfassung von Schwingungen innerhalb des Wälzlagers 10c vorgesehen ist. Der Sensor 20c ist innerhalb des Lageraußenrings 30c im Bereich des Druckwinkels 24c des Wälzlagers 10c angeordnet. Der Sensor 22c ist derart innerhalb des Lagerrings 12c angeordnet ist, dass eine Erfassungsrichtung 26c des Sensors 22c im Druckwinkel 24c des Wälzlagers 10c verläuft. Die Erfassungsrichtung 26c des Sensors 22c verläuft entlang der Drucklinie.
Der Sensor 22c ist vollständig in ein Material des Lagerrings 12c eingebettet. Zur Einbettung des Sensors 22c in das Material des Lagerrings 12c ist der Lagerring 12c, in welchem der Sensor 22c angeordnet ist, mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. Der Lagerring 12c kann beispielsweise mittels selektiven Laserschmelzens (SLM), mittels Elektronenstrahlschmelzens (EBM), mittels Direct Metal Laser Sintering (DMLS) oder mittels eines anderen additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein. Zum Anordnen des Sensors 22c in dem Lagerring 12c, wird der Lagerring 12c zunächst bis zu der Position, an welcher eine Anordnung des Sensors 22c innerhalb des Lagerrings 12c vorgesehen ist, additiv aufgebaut. Darauffolgend wird der Sensor 22c an der vorgesehenen Position in den Lagerring 12c eingesetzt, worauf der der Aufbau des Lagerrings 12c additiv fortgesetzt und/oder abgeschlossen wird.
7 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Wälzlagers 10d. Das Wälzlager 10d weist zwei Lagerringe 12d, 14d auf, wobei ein erster Lagerring 12d einen Lageraußenring 30d und ein zweiter Lagerring 14d einen Lagerinnenring 42d ausbildet.
Das Wälzlager 10d weist eine Sensoreinheit 20d mit zumindest einem Sensor 22d auf, der zum Zweck einer Früherkennung von Lagerschäden zumindest zu einer Erfassung von Schwingungen innerhalb des Wälzlagers 10d vorgesehen ist. Der Sensor 20d ist innerhalb des Lageraußenrings 30d im Bereich des Druckwinkels 24d des Wälzlagers 10d angeordnet. Der Sensor 22d ist derart innerhalb des Lagerrings 12d angeordnet ist, dass eine Erfassungsrichtung 26d des Sensors 22d im Druckwinkel 24d des Wälzlagers 10d verläuft. Die Erfassungsrichtung 26d des Sensors 22d verläuft entlang der Drucklinie.
Der Lagerring 12d weist einen Grundkörper 68d auf, an welchem der Sensor 22d angeordnet ist. Der Grundkörper 68d weist eine Montagfläche 70d auf, welche zumindest im Wesentlichen senkrecht zu dem Druckwinkel 24d bzw. zur Drucklinie verläuft. Die Montagefläche 70d ist insbesondere umlaufen ausgebildet. Auf die Montagefläche 70d ist der Sensor 22d aufgebracht, so dass die Erfassungsrichtung 26d des Sensors 22d im Druckwinkel 24d des Wälzlagers 10d verläuft. Der Sensor 22d ist mittels eines Abdeckelements 72d abgedeckt, welches stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Grundkörper 68d des Lagerrings 12d verbunden ist. Um ein Aufbringen der gesamten Sensoreinheit 20d auf die umlaufende Montagefläche 70d zu ermöglichen, sind die Elemente der Sensoreinheit 20d vorzugsweise auf eine flexible Leiterplatte 48d aufgebracht.
8 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Wälzlagers 10e. Das Wälzlager 10e weist zwei Lagerringe 12e, 14e auf, wobei ein erster Lagerring 12e einen Lageraußenring 30e und ein zweiter Lagerring 14e einen Lagerinnenring 42e ausbildet.
Das Wälzlager 10e weist eine Sensoreinheit 20e mit zumindest einem Sensor 22e auf, der zum Zweck einer Früherkennung von Lagerschäden zumindest zu einer Erfassung von Schwingungen innerhalb des Wälzlagers 10e vorgesehen ist. Der Sensor 20e ist innerhalb des Lageraußenrings 30e im Bereich des Druckwinkels 24e des Wälzlagers 10e angeordnet. Der Sensor 22e ist derart innerhalb des Lagerrings 12e angeordnet ist, dass eine Erfassungsrichtung 26e des Sensors 22e im Druckwinkel 24e des Wälzlagers 10e verläuft. Die Erfassungsrichtung 26e des Sensors 22e verläuft entlang der Drucklinie.
Der Sensor 22e ist im Bereich einer Laufbahn 28e innerhalb des Lagerrings 12e angeordnet. Vorzugsweise ist der Sensor 22e unmittelbar unterhalb der Laufbahn 28e angeordnet. Der Sensor 22e ist vorzugsweise als ein Dehnungsmessstreifen ausgebildet. Zum Anordnen des Sensors 22e unterhalb der Laufbahn 28e ist die Laufbahn 28e vorzugsweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf den Sensor 22e aufgebracht. Die Laufbahn 28e kann beispielsweise mittels selektiven Laserschmelzens (SLM), mittels Elektronenstrahlschmelzens (EBM), mittels Direct Metal Laser Sintering (DMLS) oder mittels eines anderen additiven Fertigungsverfahrens auf den Sensor 22e aufgebracht sein. Zum Anordnen des Sensors 22e unterhalb der Laufbahn 28e, wird der Lagerring 12e zunächst bis zu der Position, an welcher eine Anordnung des Sensors 22e unterhalb der Laufbahn 28e vorgesehen ist, additiv aufgebaut. Alternativ kann der Lagerring 12e unter Berücksichtigung der Position, an welcher eine Anordnung des Sensors 22e vorgesehen ist, konventionell gefertigt sein. Darauffolgend wird der Sensor 22e an der vorgesehenen Position in den Lagerring 12e eingesetzt, worauf die Laufbahn 28e mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf den Sensor aufgebracht wird.
Bezugszeichenliste

10: Wälzlager
12: Lagerring
14: Lagerring
16: Wälzkörper
18: Lagerkäfig
20: Sensoreinheit
22: Sensor
24: Druckwinkel
26: Erfassungsrichtung
28: Laufbahn
30: Lageraußenring
32: Auswerteeinheit
34: Grenzwert
36: Sensormesswert
38: Ausgabeeinheit
42: Lagerinnenring
44: Stirnseite
46: Nut
48: Leiterplatte
50: Sensorleiterplatte
52: Zusatzleiterplatte
54: Kabelverbindung
56: Spannungsversorgung
58: Steckkontakt
60: Ausnehmung
62: Amplitudenanstieg
64: Frequenzfenster
66: Außenumfang
68: Grundkörper
70: Montagefläche
72: Abdeckelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2005/031296 A1 [0002]

Claims

Wälzlager, insbesondere Schrägkugellager, mit zwei Lagerringen (12a-e, 14a-e) und einer Mehrzahl von Wälzkörpern (16a-e), welche zwischen den Lagerringen (12a-e, 14a-e) angeordnet und mittels eines Lagerkäfigs (20a-e) gehalten sind, und mit zumindest einer Sensoreinheit (20a-e), welche zumindest einen Sensor (22a-e) aufweist, der zumindest zu einer Erfassung von Schwingungen innerhalb des Wälzlagers (10a-e) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor (22a-e) im Bereich eines Druckwinkels (24a-e) innerhalb eines der Lagerringe (12a-e, 14a-e) angeordnet ist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (22c-e) derart innerhalb des Lagerrings (12c-e, 14c-e) angeordnet ist, dass eine Erfassungsrichtung (26c-e) des Sensors (22c-e) im Druckwinkel (24c-e) des Wälzlagers (10c-e) verläuft.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (22c; 22e) in ein Material des Lagerrings (12c, 14c; 12e, 14e) eingebettet ist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Sensoreinheit (20a-e) innerhalb des Lagerrings (12a-e, 14a-e) angeordnet ist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Lagerring (12c, 14c; 12e, 14e), in welchem der Sensor (22c; 22e) angeordnet ist, zumindest teilweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (22e) im Bereich einer Laufbahn (28e) innerhalb des Lagerrings (12e, 14e) angeordnet ist.
Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (22e) unterhalb der Laufbahn (28e) angeordnet ist.
Wälzlager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahn (28e) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf den Sensor (22e) aufgebracht ist.
Wälzlagervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Sensor (22a-e) oder die gesamte Sensoreinheit (20a-e) in einem Lageraußenring (30a-e) angeordnet ist.
Wälzlagervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor (22a-d) als piezoelektronische Sensor ausgebildet ist.
Wälzlagervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor (22a-d) als MEMS-Sensor ausgebildet ist.
Wälzlagervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor (22e) als ein Dehnungsmessstreifen ausgebildet ist.
Wälzlagervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (20a-e) eine Auswerteeinheit (32a-e) umfasst, welche dazu vorgesehen ist, ein Überschreiten eines festgelegten Grenzwerts (34a-e) durch einen Sensormesswert (36a-e) zu erkennen.
Wälzlagervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (20a-e) eine Ausgabeeinheit (38a-e) umfasst, welche dazu vorgesehen ist, bei Auftreten einer Grenzwertüberschreitung ein Ausgabesignal (40a-e) zu erzeugen.
Verfahren zur Früherkennung eines Lagerschadens an einem Wälzlager (10a-e), insbesondere an einem Schrägkugellager, nach einem der der vorhergehenden Ansprüche, mit zwei Lagerringen (12a-e, 14a-e) und einer Mehrzahl von Wälzkörpern (16a-e), welche zwischen den Lagerringen (12a-e, 14a-e) angeordnet und mittels eines Lagerkäfigs (18a-e) gehalten sind, und mit zumindest einer Sensoreinheit (20a-e), welche zumindest einen Sensor (22a-e) aufweist, der zumindest zu einer Erfassung von Schwingungen innerhalb des Wälzlagers (10a-e) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Sensoreinheit (20a-e) Schwingungen innerhalb zumindest eines Lagerrings (12a-e, 14a-e) erfasst und mittels einer Frequenzanalyse auf einen Amplitudenanstieg (62a-e) in einem Frequenzbereich, welcher oberhalb einer Überrollfrequenz der Lagerringe (12a-e, 14a-e) liegt, überwacht wird.