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Thema, Umfeld
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Wälzlager sind hochbelastete Bauteile. Ein unangekündigter Schaden des Wälzlagers kann schwerwiegende Folgen haben.
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Demontierte geschädigte Wälzlager beinhalten häufig Metallspäne in der Fettschmierung, die durch Metallabrieb entstanden sind. Diese Metallspäne sind ein Anzeichen für eine Schädigung und führen zu einem weiteren Metallabrieb, sowie zu einer weiteren Schädigung im Wälzlager. Unter anderem erwärmen diese das Wälzlager und führen letztendlich zu einem Heißläufer und damit zum Ausfall.
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Stand der Technik
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Der Stand der Technik besteht darin, dass immer mehr Lager hinsichtlich deren Funktionserfüllung überwacht werden. Wälzlagerschädigungen werden zur Zeit entweder durch Temperaturmessungen oder Schwingungsanalysen detektiert.
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Die Temperaturmessungen zur Überhitzungserkennung ist eine kostengünstige Variante. Sie setzt jedoch voraus, dass das Lager schon weitgehend geschädigt ist und sich dadurch deutlich erwärmt und sich somit von der Umgebungstemperatur abhebt.
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Schwingungsanalysen sind hinsichtlich der Früherkennung besser als Temperaturmessungen geeignet. Sie haben jedoch den Nachteil, dass sie relativ teuer sind und aufwendige Auswertehardware benötigen, wenn sie genaue Ergebnisse liefern sollen.
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Kritik am Stand der Technik
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Nach dem heutigen Stand der Technik ist es für eine genaue Schädigungsfrüherkennung erforderlich, relativ aufwendige Schwingungsdiagnostik einzusetzen. Temperaturmessungen stellen nur eine bedingte Alternative dar, da diese eine deutliche Schädigung voraussetzen um anhand eines signifikanten Temperaturunterschiedes eine Schädigung zu erkennen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine integrierte Schädigungsdetektion für Wälzlager zu implementieren, welche nach einem einfachen günstigen robusten Prinzip Schädigungen in Wälzlagern kurz nach deren Entstehung detektieren kann.
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Patentbeschreibung
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Die induktive integrierte Schädigungsdetektion für Wälzlager basiert auf einem Wälzlager mit einem integriertem Induktionsgeber, einer Zahnstruktur, einer Auswerteeinheit und einem Sender. Der Induktionsgeber und die dazu gehörende Zahnanordnung befindet sich hierbei integriert innerhalb der Fettschmierung direkt neben den Wälzkörpern. Dabei dient die Zahnanordnung als Sammelstelle für Metallspäne. Kontinuierlich erfasst der Induktionsgeber das Signal, welches sich aus der Zahnanordnung ergibt. Dieses Signal wird direkt an die ebenfalls im Lager integrierte Auswerteeinheit weitergeleitet. Die Auswerteeinheit kann hierzu entweder als analoge Schaltung oder als programmierbare Schaltung aufgebaut sein. Elektrisch gespeist wird sie entweder durch die elektrische Leistung des messenden Induktionsgebers oder alternativ durch ein weiteres, als Spannungsversorgungsquelle dienendes, Bauteil. Sofern die Auswerteeinheit einen Fehler detektiert, gibt diese die Information über einen intergierten Sender und/oder ein Ausgangssignalkabel weiter.
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Im analogen Fall besteht die Auswerteeinheit aus einer Kombination von Komparatoren und Integratoren, sowie optional auch Triggerelementen. Im programmierbaren Fall besteht die Auswerteeinheit aus einem Microcontroller oder einem vergleichbaren Bauteil.
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Die Funktion der Auswerteinheit besteht darin, das Signal des Induktionsgebers auszuwerten und den Unterschied zu erkennen, ob sich Metallspäne in der Zahnanordnung abgelagert haben oder ob die Zahnanordnung metallspanfrei ist. Zur Spanerkennung wird mindestens eine der beiden folgenden Herangehensweisen angewandt.
- 1) Der alternierende Spannungswert, welcher durch den messenden Induktionsgeber aufgezeichnet wurde, wird ggf. nach einer Signalaufbereitung, zeitlich integriert. Anschließend wird mit Hilfe einer Schwellwertbildung ermittelt, ob sich Metallspäne zwischen den Zähnen befinden oder nicht.
- a) Wenn sich keine Metallspäne zwischen den Zähnen befinden, ergibt sich als zeitliches Integral der Wert Null.
- b) Wenn sich Metallspäne zwischen den Zähnen befinden, steigt der integrierte Wert und überschreitet eine Schwelle, sodass ein Fehler gemeldet wird.
- 2) Der alternierende Spannungswert, welcher durch den messenden Induktionsgeber aufgezeichnet wurde, wird ggf. nach einer Signalaufbereitung, zeitlich getriggert und der zeitliche Abstand zwischen den positiven und negativen Spannungssignalen verglichen.
- a) Wenn sich keine Metallspäne zwischen den Zähnen befinden, sind die Abstände bei konstanter Lagerdrehzahl konstant.
- b) Wenn sich Metallspäne zwischen den Zähnen befinden, werden die Abstände zwischen den aufsteigenden und absteigenden Flanken größer sein, als die Abstände zwischen den absteigenden und aufsteigenden Flanken im fehlerfreien Fall.
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Diese beschriebene Auswertung wird entweder als analoge Schaltung oder als programmierbare Schaltung durch die im Wälzlager integrierte Auswerteeinheit durchgeführt. Wenn ein Fehler erkannt wird, so wird die Information entweder durch den integrierten Sender oder durch ein Kabel nach außen kommuniziert.
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Die induktive integrierte Schädigungsdetektion für Wälzlager wird angewendet, wenn es sich um Wälzlager handelt, deren Ausfälle rechtzeitig erkannt werden müssen um kritische Betriebssituationen zu verhindern. Das kann beispielsweise bei Lager für große Antriebswellen der Fall sein oder auch bei Achslager von Fahrzeugen mit hohen Achslasten.
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Durch die kontinuierliche Kontrolle mit diesen einfachen Komponenten wird eine kostengünstige, robuste Früherkennung ermöglicht. Durch die in diesem Modul integrierte Spannungsversorgungsquelle und den integrierten Sender ist ein Wälzlager, wenn es über diese induktive integrierte Schädigungsdetektion verfügt, hinsichtlich der Montage, vergleichbar handhabbar, wie ein Wälzlager ohne dieses Modul. Es wird nur außerhalb des Wälzlagers ein Funkempfänger benötigt um das Fehlersignal des Senders zu empfangen, sodass entsprechende Maßnahmen ergriffen werden können.
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Bevorzugt ist die Zahnanordnung im Außenring des Wälzlagers angebracht, da sich die Metallspäne durch die Fliehkraft bevorzugt außen ablagern. In Folge dessen ist der Induktionsgeber mit der Auswerteeinheit und dem Sender bevorzugt im Innenring des Wälzlagers. Um eine sichere Spannungsversorgung zu gewährleisten, wird bevorzugt eine induktive Spannungsversorgungsquelle mit einem integrierten Energiespeicher im Wälzlager integriert, da die elektrische Leistung des messenden Induktionsgebers bei geringen Drehzahlen sehr gering ausfallen kann. Dargestellt wird ein konstruktives Lösungsbeispiel in den Zeichnungen 1 und 2.
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Grundsätzlich kann das hier beschriebene Modul beidseitig der Wälzkörper eingebaut werden und ist somit mehrfach im Wälzlager integriert. Dabei wird der Induktionsgeber und die Zahnanordnung mehrfach eingebaut. Die Auswerteeinheit, die Spannungsversorgungsquelle und der Sender kann auch mehrfach in einem Wälzlager eingebaut werden, wird aber bevorzugt nur einmal zentral eingebaut und dafür entsprechend für mehrere Eingangssignale ausgelegt.
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Zusätzlich kann dieses Modul auch in der Fluidlagerung von Gleitlagern integriert werden um deren Ausfall rechtzeitig zu diagnostizieren.
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Die Einbauposition im Wälzlager wird anhand der Zeichnung 1 und Zeichnung 2 beschrieben. Die Zeichnung 3 visualisiert einen schematischen Aufbau.
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Die Zeichnung 1 stellt eine Z-X Schnittzeichnung eines konventionellen fettgeschmierten Wälzlagers dar, welches durch die induktive integrierte Schädigungsdetektion erweitert wurde. Das Wälzlager besteht aus einem Außenring 1.1, den Wälzkörpern 1.2, dem Innenring 1.3 und den Dichtungen 1.4.
Der Induktionsgeber 1.5 befindet sich hier am Innenring 1.3 und die Zahnstruktur 1.6 am Außenring 1.1 des Wälzlagers. Die Anordnung kann prinzipiell aber auch genau umgekehrt ausgeführt werden, obwohl sie bevorzugt im Außenring ist, da dieser durch die Fliehkräfte schneller zur Metallspanablagerung neigt. Weiter ist zur einfacheren Darstellung die Diagnosevorrichtung mit dem Induktionsgeber nur auf einer Seite des Wälzkörpers angebracht. Je nach Ausführung kann sie auch an beiden Seiten angebracht werden oder auch bei einem zweireihigen Lager zwischen den beiden Wälzlagern.
Gegenüber der Zahnanordnung 1.6 befindet sich der Induktionsgeber 1.5 und direkt am Induktionsgeber 1.5 befindet sich die Auswerteeinheit 1.7. Die Auswerteeinheit mit integriertem Sender 1.7 wird entweder durch den Induktionsgeber oder durch eine zusätzliche integrierte induktive Versorgungsspannungserzeugungsquelle (quasi einer zweiten induktiven Spannungsversorgung) mit Strom versorgt. Die Linie 1.8 dieser Zeichnung 1 deutet die Schnittachse für die Zeichnung 2 an.
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Die Zeichnung 2 stellt einen Z-Y Schnitt der Zeichnung 1 dar. Die Zahnanordnung 2.1 dient dazu, dem Induktionsgeber 2.3, der sich im Innenring 2.2 des Wälzlagers befindet, induktive Signale zu erzeugen und Metallspäne zu sammeln. Weiter befindet sich im Innenring die Auswerteeinheit mit integriertem Sender 2.4 und optional eine induktive Versorgungsspannungserzeugungsquelle 2.5 zur Energieversorgung des Systems. Weiter ist auch ein Energiespeicher 2.6 vorhanden.
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Die Zeichnung 3 stellt den schematischen Aufbau der im Wälzlager integrierten Komponenten dar.
Die Zahnanordnung 3.1, hier als Außenverzahnung, erzeugt das Grundsignal für den Induktionsgeber 3.2. Darauf folgt die Auswerteeinheit 3.3, welche erkennt, ob zwischen den Zähnen Metallspäne sind. Diese Auswerteeinheit sendet entweder über die Leitung 3.7 oder über den Sender 3.4 das Fehlersignal nach außen.
Wenn die Energieversorgung nicht aus dem Messsignal des Induktionsgebers 3.2 gewonnen werden kann, wird durch eine zusätzliche induktive Energieerzeugung 3.5 die Versorgungsenergie gewonnen und im Energiespeicher 3.6 zwischengespeichert um die Auswerteeinheit 3.3 und den Sender 3.4 mit Energie zu versorgen.
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- Beschreibung Zeichnung 1: XZ-Schnittachse eines Wälzlagers mit der induktiven integrierten Schädigungsdetektion für Wälzlager
- Beschreibung Zeichnung 2: YZ-Schnittachse eines Wälzlagers mit der induktiven integrierten Schädigungsdetektion für Wälzlager
- Beschreibung Zeichnung 3: Schematischer Aufbau der im Wälzlager integrierten Komponenten
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Bezugszeichenliste
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- 1.1 :
- Wälzlager Außenring
- 1.2 :
- Wälzkörper
- 1.3 :
- Wälzlager Innenring
- 1.4 :
- Wälzlager Dichtung
- 1.5 :
- Induktionsgeber
- 1.6 :
- Zahnanordnung
- 1.7 :
- Auswerteeinheit mit integriertem Sender
- 1.8 :
- Schnittachse zur Zeichnung 2
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Bezugszeichenliste
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- 2.1 :
- Zahnanordnung im Wälzlager-Außenring (hier als Außenverzahnung)
- 2.2 :
- Wälzlager-Innenring
- 2.3 :
- Induktionsgeber
- 2.4 :
- Auswerteeinheit mit integriertem Sender
- 2.5 :
- Versorgungsspannungserzeugungsquelle
- 2.6 :
- Energiespeicher
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Bezugszeichenliste
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- 3.1 :
- Zahnanordnung (entweder außenverzahnt oder innenverzahnt)
- 3.2 :
- Induktionsgeber
- 3.3 :
- Auswerteeinheit
- 3.4 :
- Sender
- 3.5 :
- Induktive Energieerzeugung
- 3.6 :
- Energiespeicher
- 3.7 :
- Auswerteeinheit mit integriertem Sender
