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Die Erfindung betrifft einen Lagerkäfig für ein Wälzlager, umfassend einen Grundkörper und mindestens einen Sensor.
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Aus der
US 2017/0102036 A1 geht ein Lagerkäfig mit einem Grundkörper aus einem Polymerwerkstoff und Zwischenräumen zur Aufnahme mindestens einer Reihe von Wälzkörpern eines Wälzlagers hervor. Der Lagerkäfig ist mit einem passiven Resonanzkreis versehen, der eine Antennenspule enthält, die an dem Grundkörper angebracht ist. Die Antennenspule ist als leitende Schicht ausgebildet, die direkt auf der Oberfläche des Grundkörpers angebracht ist, wobei die Antennenspule eine Sollbruchstelle aufweist, die kleiner oder gleich einer Sollbruchstelle des Grundkörperwerkstoffs ist. Ein Bruch des Grundkörpers zerreißt somit die Antennenspule und verändert das Resonanzverhalten des passiven Schwingkreises.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Lagerkäfig für ein Wälzlager sowie ein Wälzlager mit einem Lagerkäfig weiterzuentwickeln. Ferner soll auch ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerkäfigs weiterentwickelt werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der Patentansprüche 1, 9 und 10. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Ein erfindungsgemäßer Lagerkäfig für ein Wälzlager umfasst einen Grundkörper, der dazu eingerichtet ist, mindestens eine Reihe von Wälzkörpern des Wälzlagers aufzunehmen, wobei der Grundkörper mindestens einen Sensor umfasst, der dazu eingerichtet ist, zumindest einen Zustand des Grundkörpers zu sensieren, wobei der Lagerkäfig durch additive Fertigungsverfahren hergestellt und der mindestens eine Sensor in dem Grundkörper integriert ist.
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Mit anderen Worten umfasst der Lagerkäfig den Grundkörper der den mindestens einen Sensor beinhaltet. Der Grundkörper gibt dem Lagerkäfig seine äußere Kontur und Form sowie die strukturelle Festigkeit. Der mindestens eine Sensor hat keinen formgebenden Einfluss, da er im Volumen des Grundkörpers integriert ist.
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Unter einem Lagerkäfig ist eine Vorrichtung zu verstehen, die zur Aufnahme und Führung von Wälzkörpern dient. Insbesondere ist der Lagerkäfig dazu eingerichtet, die Wälzkörper voneinander zu beabstanden, sodass sich diese untereinander nicht berühren. Ferner gewährleistet der Lagerkäfig durch eine regelmäßige Verteilung der Wälzkörper im Wälzlager eine gleichmäßige Lastverteilung auf den Innen- und Außenring des Wälzlagers. Beispielsweise kann der Lagerkäfig mehrere Wälzkörperreihen aufnehmen. Der Begriff Wälzkörper umfasst beispielsweise Kugeln, Nadeln, Rollen und Tonnen.
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Additive Fertigung ist eine umfassende Bezeichnung für alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau insbesondere computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Insbesondere wird der Lagerkäfig aus mindestens zwei Werkstoffen gefertigt, wobei ein sogenanntes Multi-Material Fertigungsverfahren zum Einsatz kommt. Mithin wird der Lagerkäfig aus zwei Werkstoffe aufgebaut, die form- und stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Typische Werkstoffe die im additiven Fertigungsverfahren zur Anwendung kommen, sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle. Der mindestens eine Sensor und der Grundkörper werden somit durch Ablagern von Material Schicht für Schicht hergestellt bis der Lagerkäfig entsteht. Dadurch kann der Sensor im Grundkörper einer komplexen dreidimensionalen Geometrie folgen. Ferner kann der mindestens eine Sensor in Bereichen am Grundkörper eingebracht werden, die für konventionelle Herstellungsverfahren schwer zugänglich sind. Durch die Integration des mindestens einen Sensors in die Struktur des Grundkörpers ergibt sich der Vorteil, dass der mindestens eine Sensor in ausgewählten Bereichen des Grundkörpers eingebettet werden kann, in denen beispielsweise die größte Wärmeentwicklung auftritt. Insbesondere ist eine erhöhte Sensierbarkeit von Brüchen und Materialermüdung vorteilhaft. Beispielsweise sind mehrere unterschiedliche Sensoren im Grundkörper eingebettet, wobei verschiedene Parameter erfassen werden können.
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Unter dem mindestens einen Sensor ist eine Vorrichtung oder ein Element zu verstehen, das dazu eingerichtet ist, verschiedene Parameter, beispielsweise Schwingungen, Temperaturen und Spannungszustände des Grundkörpers zu erfassen. Anhand dieser Parameter ist es möglich, den Zustand des Grundkörpers durchgehend zu überwachen und durch eine Auswerteinrichtung zu beurteilen. Insbesondere können Schäden am Grundkörper, sowie an anderen Bestandteilen des Lagers, frühzeitig erfasst werden. Als Schaden kann beispielsweise auch ein fortgeschrittener Verschleiß verstanden werden, der zu einem größeren Spiel oder zu einem Verklemmen der Wälzkörper führt. Insbesondere kann ein Schaden auch durch einen Bruch des Grundkörpers entstehen.
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Vorzugsweise ist der Grundkörper einteilig aus zumindest zwei koaxialen Ringen und mehreren axial dazwischen angeordneten Stegen ausgebildet. Bevorzugt ist der mindestens eine Sensor in den Ringen und Stegen des Grundkörpers angeordnet. Die Ringe sind dazu eigerichtet, neben der orthogonalen Aufnahme der Stege, die Wälzkörper gegen Herausfallen aus dem Lager zu Sichern. Ferner sind die Ringe auch zur begrenzten Aufnahme von Querkräften auf das Lager ausgelegt. Die Stege dienen, neben der Verbindung zwischen den beiden Ringen, als Abstandshalter zwischen den einzelnen Wälzkörpern und den Ringen.
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Vorzugsweise ist der mindestens eine Sensor als Draht ausgebildet. Bevorzugt ist der mindestens eine Sensor mehrmals zumindest umlaufend im Grundkörper geführt. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Draht um eine dünne Leiterbahn, die sich durch den gesamten Grundkörper erstreckt und beispielsweise in den Ringen und in den Stegen insbesondere mehrfach angeordnet ist. Aufgrund der mehrfachen Anordnung des Drahtes, ergibt sich eine Gitterstruktur aus Leiterbahnen, die den gesamten Grundkörper durchzieht. Mithin ist es möglich, Bereiche eines Querschnitts des Grundkörpers, bzw. den gesamten Querschnitt des Grundkörpers zu sensieren. Ferner ist es möglich in besonders belasteten Bereichen des Grundkörpers, wie beispielsweise die durch Kerbwirkung stark belasteten Verbindungsstellen zwischen den Ringen und Stegen, die Gitterstruktur zu verdichten und somit die Sensibilität zu erhöhen. Beispielsweise ist bereits ein Teilbruch des Lagerkäfigs sensierbar bzw. erfassbar, da die den Grundkörper durchdringende Gitterstruktur durch einen Teilbruch des Grundkörpers beeinträchtigt wird und deswegen eine Signaländerung erfährt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Sensor zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet. Vorzugsweise ist der Grundkörper zumindest teilweise aus einem elektrisch nicht leitenden Material, also einem Nichtleiter-Material einen elektrischen Isolatormaterial, ausgebildet. Bevorzugt wird der mindestens eine Sensor in Form eines Stromkreises innerhalb des Grundkörpers ausgelegt. Durch einen Bruch des Grundkörpers ändert sich der Stromfluss im Sensor. Um eine galvanische Trennung zwischen den einzelnen Leiterbahnen zu ermöglichen ist der Grundkörper zumindest im Bereich des mindestens einen Sensors aus einem nicht leitenden Material hergestellt. Beispielsweise handelt es sich hier um einen hochdichten und reibungsarmen Kunststoff.
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Vorzugsweise ist der mindestens eine Sensor dazu eingerichtet, über einen Schleifkontakt oder berührungslos mit einer Auswerteinrichtung signalübertragend verbunden zu sein. Beispielsweise überträgt der mindestens eine Sensor berührungslos, insbesondere induktiv mittels Antenne ein elektromagnetisches Signal an die Auswerteinrichtung. Alternativ kann das vom Sensor erzeugte elektrische Signal direkt durch einen Schleifkontakt, in Form von Schleifbürsten, der Auswerteinheit zugeführt werden.
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Bevorzugt ist der mindestens eine Sensor untrennbar in dem Grundkörper integriert. Insbesondere liegt eine formschlüssige und stoffschlüssige Verbindung des mindestens einen Sensors und des Grundkörpers vor, sodass die strukturelle Integrität des Lagerkäfigs nicht gemindert wird. Da keine Aussparungen oder Nuten zur Integration des mindestens einen Sensors notwendig sind, wird insbesondere die Bauteilfestigkeit und Lebensdauer des Lagerkäfigs erhöht.
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Die Erfindung betrifft auch ein Wälzlager mit mindestens einem Außenring, mindestens einem Innenring sowie mindestens einer Reihe von Wälzkörper, wobei die Wälzkörper in einem erfindungsgemäßen Lagerkäfig aufgenommen sind. Beispielsweise kann das Wälzlager als Kugellager, Rollenlager, Nadellager oder Tonnenlager ausgebildet sein.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Lagerkäfigs, wobei der Grundkörper und der mindestens eine Sensor additiv hergestellt werden, und wobei während der additiven Fertigung des Lagerkäfigs der mindestens eine Sensor in dem Grundkörper integriert wird. Der mindestens eine Sensor kann insbesondere als Draht ausgebildet werden, der den gesamten Grundkörper durchdringt.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der vier Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lagerkäfigs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine teilweise transparente, stark schematische radiale Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Lagerkäfig nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine stark schematische Schnittansicht eines Ausschnitts des Lagerkäfigs gemäß 1, und
- 4 eine teilweise stark schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Wälzlagers mit einem Lagerkäfig gemäß 2.
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In den 1 und 2 ist ein jeweiliger Lagerkäfig 1 für ein Wälzlager dargestellt. Der jeweilige Lagerkäfig 1 weist einen Grundkörper 3 auf, der einteilig aus zwei koaxialen Ringen 6 und mehreren axial dazwischen angeordneten Stegen 7 ausgebildet ist. Der Lagerkäfig 1 gemäß 1 ist zur Aufnahme von kugelförmigen Wälzkörpern eingerichtet. Der Lagerkäfig 1 gemäß 2 ist zur Aufnahme von rollenförmigen Wälzkörpern eingerichtet. Beide Lagerkäfige 1 weisen einen Sensor 5 auf, der in dem Grundkörper 3 integriert und dazu eingerichtet ist, mindestens einen Zustand des Grundkörpers 3, beispielsweise eine Temperatur, einen Verschleiß und/oder einen Bruch zu erfassen. Der Grundkörper 3 des jeweiligen Lagerkäfigs 1 ist vorliegend aus einem elektrisch nicht leitenden Material, insbesondere Kunststoff, ausgebildet, wobei der Sensor 5 aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere Metall, ausgebildet ist.
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Die Lagerkäfige 1 werden erfindungsgemäß durch additive Fertigungsverfahren hergestellt, wobei während der additiven Fertigung des jeweiligen Lagerkäfigs 1 der Sensor 5 in dem Grundkörper 3 integriert wird. Der jeweilige Sensor 5 ist somit untrennbar mit dem jeweiligen Grundkörper 3 verbunden. Der Sensor 5 des Lagerkäfigs 1 gemäß 1 ist aufgrund der perspektivischen Darstellung in 1 nicht sichtbar, wobei 3 einen Ausschnitt des Lagerkäfigs 1 gemäß 1 in Schnittdarstellung zeigt, sodass der Sensor 5 dort dargestellt ist.
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Gemäß 2 ist der Sensor 5 stark vereinfacht sowie gestrichelt dargestellt. Der Sensor 5 ist als Draht ausgebildet sowie in den Ringen 6 und Stegen 7 angeordnet. Vorliegend folgt der drahtförmige Sensor 5 drei Führungsbahnen, wobei der drahtförmige Sensor 5 gemäß einer ersten Führungsbahn entlang einer ersten Stirnseite des Lagerkäfigs 1 geführt ist, wobei der drahtförmige Sensor 5 gemäß einer zweiten Führungsbahn entlang einer zweiten Stirnseite des Lagerkäfigs 1 geführt ist, und wobei der drahtförmige Sensor 5 gemäß einer dritten Führungsbahn mäanderförmig durch die Stege 7 und entlang der Ringe 7 geführt ist.
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Gemäß 3 ist der Sensor 5 drahtförmig ausgebildet und in dem gesamten Grundkörper 3 integriert, wobei der drahtförmige Sensor 5 eine Gitterstruktur bzw. Matrix bildet. Mithin ist der drahtförmige Sensor 5 mehrmals umlaufend im Grundkörper 3 angeordnet.
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In 4 ist ein Wälzlager 2, das den Lagerkäfig 1 gemäß 2 aufweist, hälftig sowie geschnitten dargestellt. Das Wälzlager 2 umfasst ferner einen Außenring 9, einen Innenring 10 sowie eine Reihe von Wälzkörper 4, wobei die Wälzkörper 4 in dem Lagerkäfig 1 aufgenommen und geführt sind. Der in dem Grundkörper 3 des Lagerkäfigs 1 integrierte Sensor 5 ist berührungslos mit einer Auswerteinrichtung 8 signalübertragend verbunden. Sowohl der Sensor 5 als auch die Auswerteinrichtung 8 sind vorliegend stark vereinfacht dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lagerkäfig
- 2
- Wälzlager
- 3
- Grundkörper
- 4
- Wälzkörper
- 5
- Sensor
- 6
- Ring
- 7
- Steg
- 8
- Auswerteinrichtung
- 9
- Außenring
- 10
- Innenring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017/0102036 A1 [0002]
