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Die Erfindung betrifft einen eine Komponente eines Linearwälzlagers bildenden Linearführungswagen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion der Befüllung eines Linearführungswagens mit Schmierstoff, insbesondere Schmierfett.
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Ein gattungsgemäßer Linearführungswagen ist beispielsweise aus der
DE 10 2017 118 848 A1 bekannt. Der bekannte Linearführungswagen ist Teil eines Linearwälzlagers mit mindestens einem Wälzkörperumlauf, in welchem Wälzkörper zur Lagerung des Linearführungswagens auf einer Führungsschiene angeordnet sind. In dem Linearführungswagen befindet sich ein Schmierkörper zur Schmiermittelversorgung des Linearwälzlagers.
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Eine weitere Linearführung mit einem Schmierstoffbehälter, der in einem Laufwagen, das heißt einem Linearführungswagen, integriert ist, ist in der
DE 10 2009 016 458 A1 beschrieben. In diesem Fall sind verschiedene Gehäuseteile des Laufwagens aus unterschiedlichen Materialien gefertigt.
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Die
DE 10 2006 055 196 A1 zeigt eine Möglichkeit, innerhalb eines Führungswagens einer Linearführungseinheit Schmiermittel in einen Rücklaufabschnitt eines Umlaufkanals für Wälzkörper einzuleiten. Die Zuleitung des Schmierstoffs erfolgt über eine Dichtung, welche als Ventil ausgebildet ist, um ein Leerlaufen eines Schmiermittelkanals, welcher an den Umlaufkanal angeschlossen ist, zu verhindern.
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Die Dokumente
DE 2009 016 163 A1 und
DE 10 2010 007 646 A1 offenbaren verschiedene Ausführungsformen von Linearführungswagen, in die Mikropumpen zur Förderung von Schmierstoff eingebaut sind. Im letztgenannten Fall weist der Führungswagen zusätzlich Sensoren, insbesondere in Form von Dehnungsmessstreifen oder Piezoelementen, auf. Derartige Sensoren ermöglichen die Erfassung einer Lagerbelastung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte, besonders betriebssichere Methoden der Schmierung eines Linearwälzlagers anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Linearführungswagen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Detektion der Befüllung eines Linearführungswagens mit Schmierstoff gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Detektionsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Linearführungswagen, und umgekehrt.
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Der Linearführungswagen weist als Komponente eines Linearwälzlagers in an sich bekannter Grundkonzeption mindestens einen Rücklaufkanal für Wälzkörper auf, welcher einen Abschnitt eines Wälzkörperumlaufs darstellt und an ein Schmiermittelreservoir, das sich innerhalb des Linearführungswagens befindet, angeschlossen ist. Erfindungsgemäß ist zur Detektion der Befüllung des Schmiermittelreservoirs mit Schmiermittel, insbesondere Fett, ein kapazitiver Füllstandsensor vorgesehen.
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Die Anwendung eines kapazitiven Füllstandsensors als Schmiermittelstandsdetektor ist in der
DE 10 2007 022 050 A1 beschrieben. Das Dokument
DE 100 04 146 C2 beschreibt die Anwendung kapazitiver Messverfahren in Zusammenhang mit der Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden.
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Der kapazitive Füllstandsensor kann genutzt werden, um bereits die erstmalige Befüllung des Linearführungswagens mit Schmiermittel im Zuge der Produktion des Linearwälzlagers zu überwachen. Im Übrigen ist der Füllstandsensor jederzeit während des Betriebs des Linearwälzlagers nutzbar, indem die Kapazität des Füllstandsensors gemessen wird und gemessene Kapazitätsänderungen ausgewertet werden. Im einfachsten Fall erfolgt ein Vergleich einer gemessenen Kapazität mit einem vorgegebenen Grenzwert der Kapazität.
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In bevorzugter Bauform beschreibt der Füllstandsensor eine Stabform, wobei er das Volumen des Schmiermittelreservoirs zumindest größtenteils umfasst. Das stabförmige Schmiermittelreservoir ist vorzugweise parallel zur Längsachse des Linearwälzlagers ausgerichtet. Im Fall mehrerer Schmiermittelreservoirs, welche teilweise oder in allen Fällen als Füllstandsensor ausgebildet sein können, gilt dies für jedes Schmiermittelreservoir.
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Der stabförmige Füllstandsensor umfasst in bevorzugter Ausgestaltung ein zentral im Schmiermittelreservoir angeordnetes stiftförmiges elektrisch leitfähiges Element, womit das Schmiermittelreservoir als Zylinderkondensator gestaltet ist. Vorzugsweise weist der Zylinderkondensator eine metallische, geerdete Abdeckkappe auf, wobei eine Guardschaltung zur metallischen Abdeckkappe vorhanden ist. Zum Thema Guarding wird auf das Dokument
DE 10 2012 106 831 A1 hingewiesen.
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Das Linearwälzlager kann prinzipiell mit beliebiger Ausrichtung der Führungsschiene, auf welcher der Linearführungswagen verschiebbar ist, betrieben werden. Die Kapazität des Kondensators, welcher die Kernkomponente des Füllstandsensors bildet, ist nicht nur vom Grad der Befüllung mit Schmiermittel, sondern auch von der Ausrichtung des Füllstandsensors im Raum abhängig. Um diesem Umstand gerecht zu werden, kann der Füllstandsensor datentechnisch mit einem Lagesensor verknüpft sein, welcher in den Linearführungswagen eingebaut oder in geometrisch definierter Weise an den Linearführungswagen angebaut ist. Ein Lagesensor ist in Anwendungsfällen entbehrlich, in welchen das Linearwälzlager mit stets gleichbleibender Ausrichtung der Führungsschiene betrieben wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Linearführungswagen mehrere Füllstandsensoren, wobei die einzelnen Füllstandsensoren im Gegensatz zu den Schmiermittelreservoirs, welche sie überwachen, geometrisch uneinheitlich gestaltet sein können. Insbesondere kann ein erster Füllstandsensor ein Schmiermittelreservoir nur teilweise und ein weiterer Füllstandsensor ein Schmiermittelreservoir vollständig ausfüllen. Dies bedeutet, dass der erste Füllstandsensor den gesamten Messbereich von einer Maximalfüllung mit Schmiermittel bis zu einer Minimalfüllung mit Schmiermittel erfasst, wogegen der zweite Füllstandsensor nur zur Erfassung eines Teils dieses Messbereichs ausgebildet ist. Beim Betrieb des Linearwälzlagers ist typischerweise davon auszugehen, dass der Grad der Befüllung des ersten Schmiermittelreservoirs dem Grad der Befüllung des zweiten Schmiermittelreservoirs entspricht.
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Durch die Mehrzahl an kapazitiven Füllstandsensoren sind nicht nur Änderungen der Dielektrizitätskonstante, welche mit der Änderung des Grades der Befüllung mit Schmiermittel einhergehen, bestimmbar, sondern auch Zuordnungen detektierter Kapazitäten zu Grenzwerten oder Referenzwerten, was die Menge an Schmiermittel im Schmiermittelreservoir betrifft, möglich. Hierbei wird davon ausgegangen, dass sich die Zusammensetzung des Schmiermittels im Laufe des Betriebs des Linearwälzlagers ändern kann. Beispielsweise kann es zur Aufnahme von Wasser kommen. Ebenso ist bei Schmierfetten eine teilweise Trennung von Grundöl und Verdicker nicht auszuschließen. Würde man lediglich mit einem einzigen kapazitiven Sensor Kapazitätsmesswerte erfassen, so wären diese Werte nicht exakt einem Füllgrad zuordenbar.
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Die Mehrzahl kapazitiver Sensoren, welche unterschiedliche Bereiche der Füllung mit Schmiermittel abdecken, sorgt dafür, dass abhängig vom Füllgrad eine unterschiedliche Anzahl an Sensoren zum Messwert beiträgt und auf Änderungen des Füllgrades reagiert. Je mehr kapazitive Sensoren bei einer Änderung des Füllgrades einen sich ändernden Kapazitätswert liefern, desto größer ist insgesamt die Abhängigkeit der aufgenommenen Messwerte von Füllstandänderungen. Dies drückt sich bei einer Auswertung der gemessenen Daten darin aus, dass eine Messkurve, welche die Abhängigkeit der Gesamtkapazität sämtlicher Füllstandsensoren von der Befüllung sämtlicher Schmiermittelreservoirs mit Schmiermittel aufzeigt, Bereiche unterschiedlicher Steigung aufweist. Ein Übergang zwischen diesen Bereichen stellt näherungsweise einen Knick in der Messkurve dar, welcher unabhängig von der Schmiermittelzusammensetzung einen bestimmten Füllgrad mit Schmiermittel zugeordnet werden kann.
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Durch zusätzliche Auswertung der Absolutwerte der gemessenen Kapazität können Schlüsse auf die Zusammensetzung des Schmiermittels gezogen werden. Da die Elektrizitätskonstante von Schmiermitteln typischerweise temperaturabhängig ist, kann die Präzision der Auswertung mit Hilfe eines Temperatursensors gesteigert werden. In allen Fällen werden die Kapazitätsmessungen vorzugsweise automatisch ausgewertet. Dies schließt die automatische Generierung eines Signals bei Unterschreitung einer Mindestmenge an Schmiermittel im Linearführungswagen ein.
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Linearführungswagens in Explosionsdarstellung,
- 2 einen Grundkörper des Linearführungswagens nach 1 in perspektivischer Ansicht,
- 3 ein Detail des Linearführungswagens nach 1 in einer Schnittdarstellung,
- 4 in idealisierter Darstellung einen innerhalb des Linearführungswagens nach 1 realisierten Zylinderkondensator zur Bestimmung des Schm ierm ittelfüllstands,
- 5 in einem Diagramm die vom Schmiermittelfüllstand abhängige Kapazität des Kondensators nach 4,
- 6 ein Ersatzschaltbild der Anordnung nach 4,
- 7 in einem Diagramm die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante verschiedener Schmiermittel sowie Komponenten von Schmiermitteln,
- 8 einen aus zwei Zylinderkondensatoren aufgebauten kapazitiven Füllstandsensor eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Linearführungswagens in einer Darstellung analog 4,
- 9 ein Ersatzschaltbild der Anordnung nach 8,
- 10 in einem Diagramm die füllstandsabhängige Kapazität der Anordnung nach 8.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Linearführungswagen ist zur Verwendung in einer Linearführung vorgesehen, deren grundsätzliche Funktion aus der
DE 10 2017 118 848 A1 bekannt ist. Der Linearführungswagen
1 weist einen Tragkörper
2 auf, der auf eine nicht dargestellte Führungsschiene aufgesetzt ist, wobei zwischen der Führungsschiene und dem Tragkörper
2 Kugeln
3 als Wälzkörper abrollen. Die Kugeln
3 sind in mehreren geschlossenen Umlaufkanälen geführt, wobei jeder Umlaufkanal einen Rücklaufkanal
4 innerhalb des Linearführungswagens
1 umfasst. An dem Tragkörper
2 sind Kopfstücke
5 mit Hilfe von Schrauben
6 befestigt.
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Zwischen den Tragkörper 2 und die Kopfstücke 5 sind Zwischenstücke 7 eingesetzt, welche insbesondere zur Umlenkung der Wälzkörper 3 benötigt werden. Ferner sind stirnseitige Dichtsätze 8 und längsseitige Dichtsätze 9 vorhanden.
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Parallel zu den Rücklaufkanälen 4 durchziehen mehrere Bohrungen 10, welche einheitlich dimensioniert sind, den Tragkörper 2. In den Bohrungen 10 befindet sich ein Schmierfett als Schmiermittel 11. Damit ist durch jede Bohrung 10 ein Schmiermittelreservoir 12 gebildet. Der Durchmesser der Bohrungen 10 entspricht dem Durchmesser der Rücklaufkanäle 4.
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Zentrisch durch jede Bohrung 10 verläuft ein stiftförmiges elektrisch leitendes Element 13, welches kurz als Stift bezeichnet wird. Der Stift 13 bildet zusammen mit der metallischen Wandung der Bohrung 10 einen kapazitiven Füllstandsensor 14. Über eine Leitung 15 ist der Füllstandsensor 14 elektrisch an ein Kapazitätsmessgerät 16 angeschlossen. Fluidtechnisch ist eine Verbindung zwischen dem Schmiermittelreservoir 12 und dem Rücklaufkanal 4 mit Hilfe des Zwischenstücks 7 hergestellt, welches im Rücklaufkanal 4 in Form eines Umlenkabschnitts 17 endet. Die den Umlenkabschnitt 17 passierenden Wälzkörper 3 nehmen auf diese Weise geringe Mengen an Schmiermittel 11 mit.
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In 1 sind zwei Stifte 13 jeweils eines Füllstandsensor 14 angedeutet. Tatsächlich könnte der Linearführungswagen 1 auch eine höhere oder niedrigere Anzahl an Füllstandsensoren 14 aufweisen. Insbesondere kann sich lediglich ein einziger kapazitiver Füllstandsensor 14 im Linearführungswagen 1 befinden. Der geometrische Aufbau eines solchen Füllstandsensors 14, welcher als Zylinderkondensator ausgebildet ist, geht aus 4 hervor. Hierin ist der Radius des Stiftes 13 mit R1 bezeichnet. Die als Kondensatorplatte wirkende Wandung der Bohrung 10 beschreibt einen Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt, dessen Radius mit R2 angegeben ist. Die gesamte Länge der Bohrung 10 mit I angegeben und mit der Länge des Füllstandsensors 14 identisch. Weiter ist in 4 eine minimale Füllhöhe s eingezeichnet.
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5 veranschaulicht die Abhängigkeit der Kapazität des Füllstandsensors 14 von dessen Befüllung mit Schmiermittel 11. Wäre das mit 12 bezeichnete Schmiermittelreservoir, welches zugleich als kapazitiver Füllstandsensor 14 fungiert, leer, so ergäbe sich eine Kapazität Co. Der nach der Montage des Linearführungswagens 1 zunächst trockene, das heißt ölfreie Füllstandsensor 14 wird vor der Inbetriebnahme des Linearwälzlagers vollständig mit Öl als Schmiermittel 11 befüllt, womit sich aufgrund der im Vergleich zu Luft deutlich höheren Dielektrizitätskonstante von Öl maximale Kapazitätswert CÖl ergibt.
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Beim anschließenden Betrieb des Linearwälzlagers sinkt der Stand an Schmiermittel 11 im Füllstandsensor 14 ab, wobei in 5 idealisiert ein linearer Abfall der Kapazität über die Zeit t dargestellt ist. Sobald ein mit Cs bezeichneter Schwellenwert der Kapazität erreicht ist, welcher dem Füllstand s entspricht, wird ein Signal ausgegeben, welches zum Nachfüllen von Schmiermittel 11 auffordert. Je nach Ausgestaltung der Umgebungskonstruktion kann auch ein automatisches Nachfüllen von Schmiermittel 11 erfolgen. In jedem Fall wird Schmiermittel 11 bis zur kompletten Befüllung des Schmiermittelreservoirs 12, welches zugleich als Füllstandsensor 14 ausgebildet ist, nachgefüllt. In 6 ist die Anordnung nach 4 in einem Ersatzschaltbild dargestellt, wobei die Dielektrizitätskonstante des Schmiermittels 11 mit εÖl bezeichnet ist.
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In 7 ist die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante ε verschiedener Schmiermittel 11 sowie Komponenten hiervon dargestellt. Die Temperatur T ist in Grad Celsius angegeben. Betrachtet wird der Temperaturbereich von 25°C bis 100°C. Ein erstes Fett als Schmiermittel 11 weist eine mit der Temperatur T leicht ansteigende Dielektrizitätskonstante εF1 auf. In 7 ist dieser Zusammenhang in Form einer fetten durchgezogenen Linie dargestellt. Ein abweichendes Verhalten weist ein zweites Fett auf, welches ebenfalls als Schmiermittel 11 in Linearführungswagen 1 verwendbar ist: In diesem Fall nimmt die mit εF2 bezeichnete Dielektrizitätskonstante mit zunehmender Temperatur T moderat ab, wobei sie bei höheren Temperaturen unter die Dielektrizitätskonstante εF1 des ersten Schmiermittels 11 fällt. Die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante εF2 ist in 7 in Form einer fetten gestrichelten Linie eingezeichnet.
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Jedes der Schmiermittel 11, welches eine nicht konstante Dielektrizitätskonstante εF1, εF2 aufweist, gibt möglicherweise im Laufe des Betriebs des Linearführungswagens 1 Öl, das heißt Grundöl, ab. Im Fall des ersten Fettes existiert ein erstes Grundöl, dessen Dielektrizitätskonstanten εÖl 1 bezeichnet ist und mit zunehmender Temperatur abnimmt. In 7 ist dieser Zusammenhang in Form der untersten, durchgezogenen Linie ersichtlich. Das zweite Fett, das heißt Schmiermittel 11 mit der Dielektrizitätskonstante εF2 , enthält ein Grundöl, dessen Dielektrizitätskonstante mit εÖl 2 bezeichnet ist. Der Wert der Dielektrizitätskonstante εÖl 2 liegt in dem gesamten Temperaturbereich über dem Wert Dielektrizitätskonstante εÖl 1 , wobei beide Grundöle die grundsätzlich gleiche Temperaturabhängigkeit ihrer Dielektrizitätskonstante ε zeigen. In 7 ist die Dielektrizitätskonstante εÖl 2 des zweiten Grundöls in Form der unteren gestrichelten Linie eingezeichnet.
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Ein einzelner Füllstandsensor 14, wie er in 4 idealisiert dargestellt ist, ist nicht in der Lage, während des Verbrauchs von Schmiermitteln 11 festzustellen, inwieweit sich die Zusammensetzung des Schmiermittels 11 ändert. Um eine solche Zusatzfunktion bereitzustellen, kann die in 8 skizierte Anordnung zweier Füllstandsensoren 14, 18 genutzt werden. Innerhalb dieser Anordnung, welche für den Einbau in den in 1 dargestellten Linearführungswagen 1 geeignet ist, entspricht der in 8 links angeordnete Füllstandsensor 14 der Ausgestaltung nach 4. Das Volumen, welches bei der Füllhöhe s mit Schmiermittel 11 befüllt ist, ist mit Vs bezeichnet. Im Unterschied zum in 8 linken Schmiermittelreservoir 12 erstreckt sich im rechten Schmiermittelreservoir 12 das stiftförmige elektrisch leitfähige Element 13 lediglich über eine Länge f, welche wesentlich geringer als die Gesamtlänge I der Bohrung 10 ist. Im Ausführungsbeispiel nach 8 ist die Länge f sogar geringer als die Füllhöhe s. Dies geht auch aus dem Ersatzschaltbild nach 9 hervor.
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Der Vorgang der erstmaligen Befüllung der Anordnung aus den Füllstandsensoren 14, 18 ist in 10 veranschaulicht. Ausgehend von der Kapazität C0 , die bei trockenen Füllstandsensoren 14, 18 gegeben ist, steigt die Kapazität C zunächst rasch an, bis der Füllstand f erreicht ist, das heißt der Stift 13 in Füllstandsensor 18 vollständig mit Schmiermittel 11 benetzt ist. Bei der weiteren Befüllung trägt der Füllstandsensor 18, vereinfacht betrachtet, nicht mehr zur Erhöhung der Kapazität C bei. Die in 10 skizzierte Messkurve steigt somit ab dem Füllstand f nur noch mit geringerer Steigung an. Der dem Füllstand f zuzuordnende Knick in der Messkurve ist automatisiert erfassbar und einem als Absolutwert vorliegenden Messwert Cf der Kapazität zuzuordnen. Die Höhe des Kapazitätswertes Cf hängt von der Art des verwendeten Schmiermittels 11 ab, wie anhand von 7 erläutert wurde. Bei der Erstbefüllung des Linearführungswagens 1 mit Schmiermittel 11 ist mit Hilfe der Füllstandsensoren 14, 18 somit eine Kontrolle oder Klassifizierung bezüglich der Art des verwendeten Schmiermittels 11 möglich.
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Abweichend vom Ausführungsbeispiel nach den 8 bis 10 kann die Länge f des Stiftes 13 im zweiten Füllstandsensor 18 den beim Betrieb nicht zu unterschreitenden Minimalfüllstand s übertreffen. In diesem Fall liegt der in 10 erkennbare Knick der Kurve, welche die füllstandsabhängige Kapazität C anzeigt, innerhalb des im bestimmungsgemäßen Betrieb des Linearführungswagens 1 genutzten Bereichs. Der Betrag der Kapazität Cf lässt in diesem Fall einen Schluss auf die im Zusammenhang mit 7 beschriebenen Alterungseffekte zu.
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Sowohl im Fall von 4 als auch im Fall von 8 wird davon ausgegangen, dass die Füllstandsensoren 14, 18 vertikal ausgerichtet sind, was einer vertikalen Verfahrrichtung des Linearführungswagens 1 entspricht. In grundsätzlich vergleichbarer Weise sind Abhängigkeiten zwischen der Kapazität C und der Befüllung der Schmiermittelreservoirs 12 auch bei horizontaler Ausrichtung des Linearwälzlagers gegeben. Um diese Zusammenhänge in die Auswirkung einzubeziehen, ist in den Linearführungswagen 1 ein Lagesensor 19 eingebaut, welcher in 1 lediglich symbolisiert dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linearführungswagen
- 2
- Tragkörper
- 3
- Wälzkörper
- 4
- Rücklaufkanal
- 5
- Kopfstück
- 6
- Schraube
- 7
- Zwischenstück
- 8
- stirnseitiger Dichtsatz
- 9
- längsseitger Dichtsatz
- 10
- Bohrung
- 11
- Schmiermittel
- 12
- Schmiermittelreservoir
- 13
- stiftförmiges elektrisch leitfähiges Element, Stift
- 14
- Füllstandsensor
- 15
- Leitung
- 16
- Kapazitätsmessgerät
- 17
- Umlenkabschnitt
- 18
- Füllstandsensor
- 19
- Lagesensor
- ε, εF1, εF2, εÖl, εÖl 1, εÖl 2
- Dielektrizitätskonstante
- C, C0, CÖl, Cs, Cf
- Kapazität
- f
- Länge des Stiftes
- I
- Gesamtlänge des Schmiermittelreservoirs
- R1, R2
- Radius
- s
- Füllhöhe, Füllstand
- t
- Zeit
- T
- Temperatur
- V, Vs
- Volumen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017118848 A1 [0002, 0021]
- DE 102009016458 A1 [0003]
- DE 102006055196 A1 [0004]
- DE 2009016163 A1 [0005]
- DE 102010007646 A1 [0005]
- EP 3457095 A1 [0009]
- DE 102008003802 A1 [0009]
- DE 102007022050 A1 [0010]
- DE 10004146 C2 [0010]
- DE 102012106831 A1 [0013]
