DE102020110726A1 - Sensor arrangement and method for determining a load on a rolling bearing - Google Patents

Sensor arrangement and method for determining a load on a rolling bearing Download PDF

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DE102020110726A1 DE102020110726.9A DE102020110726A DE102020110726A1 DE 102020110726 A1 DE102020110726 A1 DE 102020110726A1 DE 102020110726 A DE102020110726 A DE 102020110726A DE 102020110726 A1 DE102020110726 A1 DE 102020110726A1
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Philipp Hörning
Thomas Rotar
Witold Marek Smolenski
Stefanie Hafemann
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Belastung eines Wälzlagers (02). In dem Wälzlager (02) ist ein Maschinenelement (01) rotierbar gelagert. Das Maschinenelement (01) ist bevorzugt durch eine Motorspindel einer Werkzeugmaschine gebildet. Die Sensoranordnung umfasst mindestens zwei Sensoren (09) zur Messung jeweils eines radialen Abstandes (drad) zum Maschinenelement (01), mindestens drei Sensoren (11) zur Messung jeweils eines axialen Abstandes (dax) zum Maschinenelement (01) und eine Recheneinheit. Die Recheneinheit ist konfiguriert zum Bestimmen einer radialen Verlagerung (δrad) des Maschinenelementes (01), einer axialen Verlagerung (δax) des Maschinenelementes (01) und einer Verkippung (φ) des Maschinenelementes (01) ausgehend von den mit den mindestens fünf Sensoren (09, 11) messbaren radialen und axialen Abständen (drad, dax). Durch das Bestimmen der mechanischen Belastung des Wälzlagers können Belastungsgrenzen des Wälzlagers erkannt und ausgenutzt werden.

Figure DE102020110726A1_0000
The present invention relates to a sensor arrangement and a method for determining a load on a rolling bearing (02). A machine element (01) is rotatably mounted in the roller bearing (02). The machine element (01) is preferably formed by a motor spindle of a machine tool. The sensor arrangement comprises at least two sensors (09) for measuring a radial distance (drad) to the machine element (01), at least three sensors (11) for measuring an axial distance (dax) to the machine element (01) and a computing unit. The computing unit is configured to determine a radial displacement (δ rad ) of the machine element (01), an axial displacement (δ ax ) of the machine element (01) and a tilt (φ) of the machine element (01) based on the at least five sensors (09, 11) measurable radial and axial distances (drad, dax). By determining the mechanical load on the roller bearing, load limits of the roller bearing can be recognized and used.
Figure DE102020110726A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Bestimmen einer mechanischen Belastung eines Wälzlagers. In dem Wälzlager ist ein Maschinenelement rotierbar gelagert. Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Motorspindel einer Werkzeugmaschine gebildet. Durch das Bestimmen der mechanischen Belastung des Wälzlagers können Belastungsgrenzen des Wälzlagers erkannt und ausgenutzt werden.The present invention relates to a sensor arrangement and a method for determining a mechanical load on a rolling bearing. A machine element is rotatably mounted in the roller bearing. The machine element is preferably formed by a motor spindle of a machine tool. By determining the mechanical load on the roller bearing, load limits of the roller bearing can be recognized and used.

Aus der DE 100 07 126 B4 ist eine Spindel mit einem Datenspeicherelement bekannt, bei welcher es sich insbesondere um eine Motorspindel einer Werkzeugmaschine handelt. Das Datenspeicherelement weist eine spindelintegrierte Schnittstelle zur separaten Datenübertragung und -auswertung ohne Eingriff in eine Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine auf.From the DE 100 07 126 B4 a spindle with a data storage element is known, which is in particular a motor spindle of a machine tool. The data storage element has a spindle-integrated interface for separate data transmission and evaluation without intervention in a machine control of the machine tool.

Die DE 199 19 006 C2 zeigt eine Einrichtung zum Messen von kleinen Verschiebungen zwischen dem stehenden und dem drehenden Ring eines Lagers. Die Einrichtung umfasst einen am stehenden Laufring oder Gehäuse angebrachten Messwertgeber und einer am drehenden Laufring oder Welle angeordneten Bezugsfläche. Zur Messung dient eine Ultraschallmesseinheit, die eine Ultraschallsender- und Ultraschallempfangseinheit umfasst, mit welcher Abstandsänderungen zur Bezugsfläche gemessen werden können. Bevorzugt werden mehrere dieser Ultraschallmesseinheiten verwendet, welche 90° oder 180° zueinander versetzt sind.the DE 199 19 006 C2 shows a device for measuring small displacements between the stationary and rotating rings of a bearing. The device comprises a transducer attached to the stationary race or housing and a reference surface arranged on the rotating race or shaft. An ultrasound measuring unit, which comprises an ultrasound transmitter and an ultrasound receiver unit, with which changes in distance to the reference surface can be measured, is used for the measurement. Several of these ultrasonic measuring units are preferably used, which are offset by 90 ° or 180 ° with respect to one another.

Die EP 2 446 998 A1 zeigt eine Einrichtung vom Messen von Lagerkenngrößen. Die Einrichtung umfasst einen radialen Verlagerungssensor, einen axialen Verlagerungssensor und einen Drehzahlsensor, um die radiale und axiale Auswanderung einer rotierenden Welle zu erfassen.the EP 2 446 998 A1 shows a device for measuring bearing parameters. The device comprises a radial displacement sensor, an axial displacement sensor and a speed sensor to detect the radial and axial drift of a rotating shaft.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die mechanische Belastung eines Wälzlagers genauer erfassen zu können.The object of the present invention, based on the prior art, is to be able to detect the mechanical load on a roller bearing more precisely.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 5.The stated object is achieved by a sensor arrangement according to claim 1 and a method according to claim 5.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung dient zum Bestimmen einer Belastung eines Wälzlagers. Die Sensoranordnung umfasst mindestens zwei Sensoren zur Messung jeweils eines radialen Abstandes zum Maschinenelement. Die Sensoranordnung umfasst mindestens drei Sensoren zur Messung jeweils eines axialen Abstandes zum Maschinenelement. Im Weiteren umfasst die Sensoranordnung eine Recheneinheit, welche zum Bestimmen einer radialen Verlagerung des Maschinenelementes, einer axialen Verlagerung des Maschinenelementes und einer Verkippung des Maschinenelementes ausgehend von den mit den mindestens fünf Sensoren messbaren radialen und axialen Abständen konfiguriert ist.The sensor arrangement according to the invention is used to determine a load on a rolling bearing. The sensor arrangement comprises at least two sensors for each measuring a radial distance to the machine element. The sensor arrangement comprises at least three sensors for each measuring an axial distance to the machine element. Furthermore, the sensor arrangement comprises a computing unit which is configured to determine a radial displacement of the machine element, an axial displacement of the machine element and a tilting of the machine element based on the radial and axial distances that can be measured with the at least five sensors.

Die Recheneinheit kann zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wie im nachfolgend beschrieben konfiguriert sein.The computing unit can be configured as described below for carrying out the method according to the invention.

Die mindestens zwei Sensoren zur Messung jeweils eines radialen Abstandes zum Maschinenelement sind bevorzugt umfänglich gleichverteilt um das Maschinenelement angeordnet. Die mindestens zwei Sensoren zur Messung jeweils eines radialen Abstandes weisen bevorzugt eine gleiche axiale Position und bevorzugt eine gleiche radiale Position auf.The at least two sensors for each measuring a radial distance to the machine element are preferably arranged circumferentially evenly distributed around the machine element. The at least two sensors for measuring a radial distance each preferably have the same axial position and preferably the same radial position.

Die mindestens drei Sensoren zur Messung jeweils eines axialen Abstandes zum Maschinenelement sind bevorzugt umfänglich gleichverteilt um das Maschinenelement angeordnet. Die mindestens drei Sensoren zur Messung jeweils eines axialen Abstandes weisen bevorzugt eine gleiche axiale Position und bevorzugt eine gleiche radiale Position auf.The at least three sensors for each measuring an axial distance to the machine element are preferably arranged circumferentially evenly distributed around the machine element. The at least three sensors for measuring an axial distance each preferably have the same axial position and preferably the same radial position.

Die Sensoranordnung umfasst besonders bevorzugt genau zwei der Sensoren zur Messung jeweils eines radialen Abstandes zum Maschinenelement. Die Sensoranordnung umfasst besonders bevorzugt genau drei der Sensoren zur Messung jeweils eines axialen Abstandes zum Maschinenelement.The sensor arrangement particularly preferably comprises exactly two of the sensors for measuring a radial distance from the machine element. The sensor arrangement particularly preferably comprises exactly three of the sensors for measuring an axial distance from the machine element.

Bei den mindestens fünf Sensoren handelt es sich bevorzugt jeweils um einen Wirbelstromabstandssensor.The at least five sensors are preferably each an eddy current distance sensor.

In einer Ausführungsform umfasst die Sensoranordnung einen Temperatursensor.In one embodiment, the sensor arrangement comprises a temperature sensor.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensoranordnung einen Drehzahlsensor.In a further embodiment, the sensor arrangement comprises a speed sensor.

In einer weiteren Ausführungsform der Sensoranordnung sind die mindestens zwei Sensoren zur Messung jeweils eines radialen Abstandes zum Maschinenelement und die mindestens drei Sensoren zur Messung jeweils eines axialen Abstandes zum Maschinenelement in separaten Modulkomponenten angeordnet sind.In a further embodiment of the sensor arrangement, the at least two sensors for measuring a radial distance to the machine element and the at least three sensors for measuring an axial distance to the machine element are arranged in separate module components.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Bestimmen einer mechanischen Belastung eines Wälzlagers, in welchem ein Maschinenelement rotativ gelagert wird. Die Belastung kann im stehenden oder rotierenden Betriebsmodus erfasst werden. Das Maschinenelement ist um eine Rotationsachse rotierbar, welche durch eine Rotationsachse das Wälzlager festgelegt ist und somit eine Achse des Maschinenelementes und des Wälzlagers darstellt. Durch die Achse sind eine axiale Richtung, eine radiale Richtung und eine tangentiale bzw. umfängliche Richtung definiert, welche senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle gebildet. Die Welle ist bevorzugt durch eine Motorspindel gebildet. Die Welle ist bevorzugt durch die Motorspindel einer Werkzeugmaschine gebildet. Die Motorspindel umfasst eine Werkzeugaufnahme und ist hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Bei der zu bestimmenden mechanischen Belastung des Wälzlagers handelt es sich bevorzugt um eine im Wälzlager auftretende Pressung; besonders bevorzugt um eine im Wälzlager auftretende Flächenpressung, die durch eine auf eine Fläche bezogene Kraft definiert ist.The method according to the invention is used to determine a mechanical load on a roller bearing in which a machine element is rotatably supported. The load can be recorded in the stationary or rotating operating mode. The machine element can be rotated about an axis of rotation which is defined by a rotational axis of the roller bearing and thus an axis of the Machine element and the rolling bearing represents. The axis defines an axial direction, a radial direction and a tangential or circumferential direction, which are oriented perpendicular to one another. The machine element is preferably formed by a shaft. The shaft is preferably formed by a motor spindle. The shaft is preferably formed by the motor spindle of a machine tool. The motor spindle includes a tool holder and is exposed to high mechanical loads. The mechanical load on the roller bearing to be determined is preferably a pressure occurring in the roller bearing; particularly preferably a surface pressure occurring in the roller bearing, which is defined by a force related to a surface.

In einem Schritt des Verfahrens wird eine radiale Verlagerung des durch das Wälzlager gelagerten Maschinenelementes gemessen. Im Ergebnis liegt ein Maß für die radiale Verlagerung des Maschinenelementes vor, d. h. wie weit die tatsächliche aktuelle Rotationsachse des Maschinenelementes von der durch das Wälzlager vordefinierten Rotationsachse entfernt ist. Die radiale Verlagerung ist eine Folge der mechanischen Belastung des Wälzlagers und ist beispielsweise zwischen 0 und 200 µm groß.In one step of the method, a radial displacement of the machine element supported by the roller bearing is measured. The result is a measure for the radial displacement of the machine element, i. H. how far the actual current axis of rotation of the machine element is from the axis of rotation predefined by the roller bearing. The radial displacement is a result of the mechanical load on the roller bearing and is between 0 and 200 µm in size, for example.

In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird eine axiale Verlagerung des durch das Wälzlager gelagerten Maschinenelementes gemessen. Im Ergebnis liegt ein Maß für die axiale Verlagerung des Maschinenelementes vor, d. h. wie weit das Maschinenelement in axialer Richtung von der durch das Wälzlager vordefinierten Position des Maschinenelementes aktuell entfernt ist. Die axiale Verlagerung ist eine Folge der mechanischen Belastung des Wälzlagers und ist beispielsweise zwischen 0 und 200 µm groß.In a further step of the method, an axial displacement of the machine element supported by the roller bearing is measured. The result is a measure for the axial displacement of the machine element, i.e. H. how far the machine element is currently in the axial direction from the position of the machine element predefined by the roller bearing. The axial displacement is a consequence of the mechanical load on the roller bearing and is between 0 and 200 µm in size, for example.

In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird eine Verkippung des durch das Wälzlager gelagerten Maschinenelementes gemessen. Im Ergebnis liegt ein Maß für die Verkippung des Maschinenelementes vor, d. h. um welchen Winkel das Maschinenelement aus der durch das Wälzlager vordefinierten Rotationsachse des Maschinenelementes aktuell gekippt ist.In a further step of the method, a tilting of the machine element supported by the roller bearing is measured. The result is a measure for the tilting of the machine element, i.e. H. The angle at which the machine element is currently tilted from the axis of rotation of the machine element predefined by the roller bearing.

Erfindungsgemäß erfolgt ein Anwenden eines das Wälzlager beschreibenden Kennfeldes. Bei dem Kennfeld handelt es sich um eine Funktion, welches die Belastung des Wälzlagers in Abhängigkeit zumindest von der radialen Verlagerung, von der axialen Verlagerung und von der Verkippung definiert. Es handelt sich somit um eine Funktion mit mindestens drei Funktionsargumenten. Zum Anwenden dieses Kennfeldes werden die gemessene radiale Verlagerung, die gemessene axiale Verlagerung und die gemessene Verkippung als Funktionsargumente verwendet, sodass sich ein Funktionswert in Form eines Maßes der mechanischen Belastung des Wälzlagers ergibt. Das Anwenden des Kennfeldes stellt eine Berechnung dar, welche bevorzugt in einem Mikrocontroller durchgeführt wird. Der Mikrocontroller ist bevorzugt am Wälzlager angeordnet. Das Kennfeld ist bevorzugt in Form von Daten im Mikrocontroller gespeichert. Das Kennfeld wird bevorzugt durch eine Simulation der durch das Maschinenelement und das Wälzlager gebildeten Anordnung ermittelt.According to the invention, a characteristic diagram describing the rolling bearing is used. The map is a function which defines the load on the roller bearing as a function of at least the radial displacement, the axial displacement and the tilt. It is therefore a function with at least three function arguments. To apply this map, the measured radial displacement, the measured axial displacement and the measured tilt are used as functional arguments, so that a functional value results in the form of a measure of the mechanical load on the rolling bearing. The application of the map represents a calculation that is preferably carried out in a microcontroller. The microcontroller is preferably arranged on the roller bearing. The map is preferably stored in the form of data in the microcontroller. The characteristics map is preferably determined by simulating the arrangement formed by the machine element and the roller bearing.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass Größen wie die radiale Verlagerung, die axiale Verlagerung oder die Verkippung, die auf der Grundlage von Messwerten üblicher Sensoren ermittelt werden können, genutzt werden, um die mechanische Belastung des Wälzlagers genauer bestimmen zu können, sodass das Wälzlager besser ausgelastet bzw. eine Schädigung des Wälzlagers verhindert werden kann.One advantage of the method according to the invention is that variables such as the radial displacement, the axial displacement or the tilt, which can be determined on the basis of measured values from conventional sensors, are used in order to be able to determine the mechanical load on the roller bearing more precisely, so that the Rolling bearings can be better utilized or damage to the rolling bearing can be prevented.

In einem optionalen Schritt des Verfahrens wird eine Drehzahl des durch das Wälzlager gelagerten und sich drehenden Maschinenelementes unmittelbar oder mittelbar gemessen. Im Ergebnis liegt in dieser Ausführungsform ein Maß für die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit des Maschinenelementes vor.In an optional step of the method, a speed of the rotating machine element supported by the roller bearing is measured directly or indirectly. As a result, in this embodiment there is a measure of the current speed of rotation of the machine element.

Eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst einen weiteren Schritt, in welchem ein Signal ausgegeben wird, wenn die Belastung eine vordefinierte Belastungsgrenze erreicht. Somit erfährt ein Bediener, dass die Belastung des Wälzlagers nicht erhöht werden darf; beispielsweise dass die Drehzahl des Maschinenelementes nicht weiter erhöht werden darf.One embodiment of the method comprises a further step in which a signal is output when the load reaches a predefined load limit. Thus, an operator learns that the load on the rolling bearing must not be increased; for example that the speed of the machine element may not be increased any further.

Eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst einen weiteren Schritt, in welchem ein mit dem Kennfeld ermitteltes Maß der mechanischen Belastung ausgegeben wird. Somit erfährt ein Bediener die aktuelle Belastung des Wälzlagers, sodass er weiß, ob und wie weit er die Belastung des Wälzlagers noch erhöhen kann. Bevorzugt wird das mit dem Kennfeld ermittelte Maß der Belastung kontinuierlich ausgegeben.One embodiment of the method comprises a further step in which a measure of the mechanical load determined using the characteristic diagram is output. In this way, an operator learns the current load on the roller bearing so that he knows whether and to what extent he can increase the load on the roller bearing. The degree of load determined with the characteristic map is preferably output continuously.

Eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst einen weiteren Schritt, in welchem die gemessene Drehzahl, die gemessene radiale Verlagerung, die gemessene axiale Verlagerung und/oder die gemessene Verkippung ausgegeben wird bzw. ausgegeben werden. Somit erfährt ein Bediener die Maße der Parameter, welche zur Bestimmung der Belastung des Wälzlagers verwendet werden. Die gemessene Drehzahl, die gemessene radiale Verlagerung, die gemessene axiale Verlagerung und/oder die gemessene Verkippung wird bzw. werden bevorzugt kontinuierlich ausgegeben.One embodiment of the method comprises a further step in which the measured rotational speed, the measured radial displacement, the measured axial displacement and / or the measured tilt is or are output. In this way, an operator learns the dimensions of the parameters which are used to determine the load on the rolling bearing. The measured speed, the measured radial displacement, the measured axial displacement and / or the measured tilt is or are preferably output continuously.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden weiter zum mittelbaren Messen der radialen Verlagerung, der axialen Verlagerung und der Verkippung zunächst jeweils ein radialer Abstand zum Maschinenelement an mindestens zwei umfänglichen Positionen des Maschinenelementes und jeweils ein axialer Abstand zum Maschinenelement an mindestens drei umfänglichen Positionen des Maschinenelementes gemessen. Es werden somit mindestens zwei radiale Abstände zum Maschinenelement und mindestens drei axiale Abstände zum Maschinenelement gemessen. Diese Abstände können beispielsweise in Bezug auf einen auf dem Maschinenelement sitzenden Messring oder auf einen auf dem Maschinenelement sitzenden Innenring des Wälzlagers gemessen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst entsprechend einen Schritt, in welchem die radiale Verlagerung, die axiale Verlagerung und die Verkippung aus den mindestens zwei radialen Abständen und den mindestens drei axialen Abständen bestimmt werden. Diese Bestimmung erfolgt bevorzugt durch eine Berechnung, welche bevorzugt in einem Mikrocontroller durchgeführt wird. Der Mikrocontroller ist bevorzugt am Wälzlager angeordnet.In the method according to the invention, in order to indirectly measure the radial displacement, the axial displacement and the tilting, first a radial distance to the machine element at at least two circumferential positions of the machine element and an axial distance to the machine element are measured at at least three circumferential positions of the machine element. At least two radial distances from the machine element and at least three axial distances from the machine element are thus measured. These distances can be measured, for example, with reference to a measuring ring seated on the machine element or to an inner ring of the roller bearing seated on the machine element. The method according to the invention accordingly comprises a step in which the radial displacement, the axial displacement and the tilting are determined from the at least two radial distances and the at least three axial distances. This determination is preferably made by a calculation, which is preferably carried out in a microcontroller. The microcontroller is preferably arranged on the roller bearing.

Die mindestens zwei radialen Abstände zum Maschinenelement und die mindestens drei axialen Abstände zum Maschinenelement werden jeweils ausgehend von Bezugspunkten gemessen, die bevorzugt mit einem Außenring des Wälzlagers ruhen.The at least two radial distances from the machine element and the at least three axial distances from the machine element are each measured on the basis of reference points that preferably rest with an outer ring of the roller bearing.

Die mindestens zwei umfänglichen Positionen, an denen jeweils der radiale Abstand zum Maschinenelement gemessenen wird, sind bevorzugt gleichverteilt um die Achse des Wälzlagers, d. h. um die Rotationsachse des Wälzlagers angeordnet. Entsprechend sind die mindestens zwei Bezugspunkte, von denen jeweils aus der radiale Abstand zum Maschinenelement gemessen wird, bevorzugt gleichverteilt um die Rotationsachse des Wälzlagers angeordnet. Die mindestens zwei umfänglichen Positionen, an denen jeweils der radiale Abstand zum Maschinenelement gemessenen wird, sind bevorzugt auf einer zylindrischen Oberfläche des Maschinenelementes oder eines auf dem Maschinenelement sitzenden Messringes oder eines auf dem Maschinenelement sitzenden Innenringes des Wälzlagers angeordnet.The at least two circumferential positions at which the radial distance to the machine element is measured are preferably evenly distributed around the axis of the roller bearing, i.e. H. arranged around the axis of rotation of the roller bearing. Correspondingly, the at least two reference points, from which the radial distance to the machine element is measured, are preferably evenly distributed around the axis of rotation of the roller bearing. The at least two circumferential positions at which the radial distance to the machine element is measured are preferably arranged on a cylindrical surface of the machine element or a measuring ring sitting on the machine element or an inner ring of the roller bearing sitting on the machine element.

Die mindestens drei umfänglichen Positionen, an denen jeweils der axiale Abstand zum Maschinenelement gemessenen wird, sind bevorzugt gleichverteilt um eine Achse des Wälzlagers, nämlich um die Rotationsachse des Wälzlagers angeordnet. Entsprechend sind die mindestens drei Bezugspunkte, von denen jeweils aus der axiale Abstand zum Maschinenelement gemessen wird, bevorzugt gleichverteilt um die Rotationsachse des Wälzlagers angeordnet. Die mindestens drei umfänglichen Positionen, an denen jeweils der axiale Abstand zum Maschinenelement gemessenen wird, sind bevorzugt auf einer kreis- oder kreisringförmigen Stirnfläche des Maschinenelementes oder eines auf dem Maschinenelement sitzenden Messringes oder eines auf dem Maschinenelement sitzenden Innenringes des Wälzlagers angeordnet. Die Stirnfläche ist senkrecht und koaxial zur Achse des Wälzlagers angeordnet.The at least three circumferential positions, at which the axial distance to the machine element is measured, are preferably evenly distributed around an axis of the roller bearing, namely around the axis of rotation of the roller bearing. Correspondingly, the at least three reference points, from which the axial distance to the machine element is measured, are preferably evenly distributed around the axis of rotation of the roller bearing. The at least three circumferential positions, at which the axial distance to the machine element is measured, are preferably arranged on a circular or circular ring-shaped end face of the machine element or a measuring ring sitting on the machine element or an inner ring of the roller bearing sitting on the machine element. The end face is arranged perpendicularly and coaxially to the axis of the roller bearing.

Die mindestens zwei umfänglichen Positionen, an denen jeweils der radiale Abstand zum Maschinenelement gemessenen wird, weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse des Wälzlagers auf. Entsprechend weisen die mindestens zwei Bezugspunkte, von denen jeweils aus der radiale Abstand zum Maschinenelement gemessen wird, bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse des Wälzlagers auf.The at least two circumferential positions, at each of which the radial distance from the machine element is measured, are preferably at the same distance from the axis of the roller bearing. Correspondingly, the at least two reference points, from which the radial distance to the machine element is measured in each case, preferably have the same distance from the axis of the roller bearing.

Die mindestens drei umfänglichen Positionen, an denen jeweils der axiale Abstand zum Maschinenelement gemessenen wird, weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse des Wälzlagers auf. Entsprechend weisen die mindestens drei Bezugspunkte, von denen jeweils aus der axiale Abstand zum Maschinenelement gemessen wird, bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse des Wälzlagers auf.The at least three circumferential positions at which the axial distance from the machine element is measured are preferably at the same distance from the axis of the roller bearing. Correspondingly, the at least three reference points, from which the axial distance to the machine element is measured, preferably have the same distance from the axis of the roller bearing.

Besonders bevorzugt werden die radialen Abstände zum Maschinenelement an genau zwei der umfänglichen Positionen gemessen. Besonders bevorzugt werden die axialen Abstände zum Maschinenelement an genau drei der umfänglichen Positionen gemessen.The radial distances from the machine element are particularly preferably measured at precisely two of the circumferential positions. The axial distances to the machine element are particularly preferably measured at exactly three of the circumferential positions.

Die radialen Abstände und die axialen Abstände zum Maschinenelement werden bevorzugt jeweils durch eine Wirbelstromabstandsmessung gemessen.The radial distances and the axial distances from the machine element are preferably each measured by means of an eddy current distance measurement.

Eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst einen weiteren Schritt, in welchem eine Temperatur am Wälzlager gemessen wird. Im Ergebnis liegt ein Maß für die aktuell gegebene Temperatur am Wälzlager vor. Bei dieser Ausführungsform ist durch das das Wälzlager beschreibende Kennfeld die Belastung des Wälzlagers in Abhängigkeit von der radialen Verlagerung, von der axialen Verlagerung, von der Verkippung und auch von der Temperatur definiert. Durch das Messen der Temperatur am Wälzlager kann die Belastung des Wälzlagers noch genauer bestimmt werden.One embodiment of the method comprises a further step in which a temperature on the roller bearing is measured. The result is a measure of the current temperature at the roller bearing. In this embodiment, the characteristics map describing the roller bearing defines the load on the roller bearing as a function of the radial displacement, the axial displacement, the tilt and also the temperature. By measuring the temperature on the roller bearing, the load on the roller bearing can be determined even more precisely.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen einen weiteren Schritt, in welchem eine radial auf das Maschinenelement wirkende Kraft und/oder eine axial auf das Maschinenelement wirkende Kraft aus den an den mindestens zwei umfänglichen Positionen gemessenen radialen Abständen zum Maschinenelement und aus den an den mindestens drei umfänglichen Positionen gemessenen axialen Abständen zum Maschinenelement bestimmt wird bzw. bestimmt werden. Dies erfolgt bevorzugt durch ein Berechnen auf der Grundlage eines das Wälzlager beschreibenden mathematischen Modelles. Im Ergebnis liegen ein Maß für die radial auf das Maschinenelement aktuell wirkende Kraft und/oder ein Maß für die axial auf das Maschinenelement aktuell wirkende Kraft vor.Preferred embodiments of the method according to the invention include a further step in which a force acting radially on the machine element and / or an axially acting force on the machine element is derived from the radial distances from the machine element measured at the at least two circumferential positions and from the radial distances from the machine element measured at the at least three circumferential positions Positions measured axial distances to the machine element is determined or determined. This is preferably done by calculating on the basis of a mathematical model describing the roller bearing. The result is a measure for the force currently acting radially on the machine element and / or a measure for the force currently acting axially on the machine element.

Das Maß der radial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder das Maß der axial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft wird bzw. werden bevorzugt ausgegeben, sodass ein Bediener Kenntnis davon erlangen kann. Das Maß der radial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder das Maß der axial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft wird bzw. werden bevorzugt kontinuierlich ausgegeben.The measure of the force acting radially on the machine element and / or the measure of the force acting axially on the machine element is or are preferably output so that an operator can gain knowledge thereof. The amount of force acting radially on the machine element and / or the amount of force acting axially on the machine element is or are preferably output continuously.

Bevorzugt wird bzw. werden ein zeitlicher Verlauf der radial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder ein zeitlicher Verlauf der axial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft aufgezeichnet. Der zeitliche Verlauf der radial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder der zeitliche Verlauf der axial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft werden bevorzugt ab einer erstmaligen Inbetriebnahme des Wälzlagers aufgezeichnet. Der zeitliche Verlauf der radial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder der zeitliche Verlauf der axial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft wird bzw. werden bevorzugt in Clustern aufgezeichnet, um Speicherplatz zu sparen.A time profile of the force acting radially on the machine element and / or a time profile of the force acting axially on the machine element is or are preferably recorded. The time profile of the force acting radially on the machine element and / or the time profile of the force acting axially on the machine element are preferably recorded from the first time the roller bearing is put into operation. The time profile of the force acting radially on the machine element and / or the time profile of the force acting axially on the machine element is or are preferably recorded in clusters in order to save storage space.

Eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst einen weiteren Schritt, in welchem ein weiteres das Wälzlager beschreibendes Kennfeld angewendet wird, durch welches eine voraussichtliche Lebensdauer des Wälzlagers in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf der radial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und vom zeitlichen Verlauf der axial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft definiert ist. Zum Anwenden dieses weiteren Kennfeldes werden der zeitliche Verlauf der radial auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und der zeitliche Verlauf der axial auf das Maschinenelement als Funktionsargumente verwendet, sodass sich die voraussichtliche Lebensdauer des Wälzlagers als Funktionswert ergibt. Die voraussichtliche Lebensdauer bzw. die verbleibende voraussichtliche Lebensdauer wird bevorzugt ausgegeben, sodass ein Bediener Kenntnis davon erlangen kann. Die voraussichtliche Lebensdauer bzw. die verbleibende voraussichtliche Lebensdauer wird bevorzugt kontinuierlich ausgegeben.One embodiment of the method comprises a further step in which a further characteristic diagram describing the rolling bearing is used, by means of which an expected service life of the rolling bearing is dependent on the temporal course of the force acting radially on the machine element and on the temporal course of the force acting axially on the machine element is defined. To apply this additional map, the time profile of the force acting radially on the machine element and the time profile of the force acting axially on the machine element are used as functional arguments, so that the expected service life of the roller bearing results as a functional value. The expected service life or the remaining expected service life is preferably output so that an operator can gain knowledge of it. The expected service life or the remaining expected service life is preferably output continuously.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung weist im Übrigen auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind und umgekehrt.The sensor arrangement according to the invention also has features that are described in connection with the method according to the invention and vice versa.

Weiter umfasst die Erfindung ein Wälzlager mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.The invention further comprises a roller bearing with a sensor arrangement according to the invention.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

  • 1 eine Ausführungsform einer Sensoranordnung in einer Schnittansicht; und
  • 2 ein zu verwendendes Kennfeld eines Wälzlagers.
Further details, advantages and developments of the invention emerge from the following description of embodiments of the invention with reference to the drawing. Show it:
  • 1 an embodiment of a sensor arrangement in a sectional view; and
  • 2 a characteristics map of a rolling bearing to be used.

1 zeigt eine Ausführungsform einer Sensoranordnung in einer Schnittansicht. Die Sensoranordnung umfasst ein Maschinenelement in Form einer Welle 01, die mithilfe von zwei Wälzlagern 02 drehbar gelagert ist. Die Wälzlager 02 umfassen jeweils einen Innenring 03, Wälzkörper 04 und einen Außenring 06. Die Wälzlager 02 erlauben eine Rotation der Welle 01 um eine Rotationsachse 07. 1 shows an embodiment of a sensor arrangement in a sectional view. The sensor arrangement comprises a machine element in the form of a shaft 01 using two rolling bearings 02 is rotatably mounted. The rolling bearings 02 each include an inner ring 03 , Rolling elements 04 and an outer ring 06 . The rolling bearings 02 allow the shaft to rotate 01 around an axis of rotation 07 .

An einem der beiden Wälzlager 02 ist axial benachbart am Außenring 03 ein Sensorträgerring 08 angeordnet, welcher zwei Sensoren 09 zum Messen jeweils eines radialen Abstandes drad zur Welle 01 und drei Sensoren 11 zum Messen jeweils eines axialen Abstandes dax zur Welle 01 trägt. In der Schnittansicht sind jeweils nur zwei der jeweils zwei bzw. drei Sensoren 09, 11 dargestellt.On one of the two rolling bearings 02 is axially adjacent on the outer ring 03 a sensor carrier ring 08 arranged which two sensors 09 for measuring a radial distance d rad to the shaft 01 and three sensors 11 for measuring an axial distance dax to the shaft 01 wearing. In the sectional view there are only two of the two or three sensors 09 , 11 shown.

An der axialen Position des Sensorträgerringes 08 ist zudem ein Messring 12 angeordnet, der fest auf der Welle 01 sitzt. Der Messring 12 umfasst einen hohlzylinderförmigen Hülsenabschnitt 13, welcher eine gleiche axiale Position wie die zwei Sensoren 09 zum Messen jeweils eines radialen Abstandes drad zur Welle 01 aufweist. Der Messring 12 umfasst zudem einen kreisringförmigen Scheibenabschnitt 14, welcher eine gleiche radiale Position wie die drei Sensoren 11 zum Messen jeweils eines axialen Abstandes dax zur Welle 01 aufweist.At the axial position of the sensor carrier ring 08 is also a measuring ring 12th arranged firmly on the shaft 01 sits. The measuring ring 12th comprises a hollow cylindrical sleeve section 13th which has the same axial position as the two sensors 09 for measuring a radial distance d rad to the shaft 01 having. The measuring ring 12th also comprises an annular disc section 14th which has the same radial position as the three sensors 11 for measuring an axial distance dax to the shaft 01 having.

Die zwei Sensoren 09 zum Messen jeweils eines radialen Abstandes drad zur Welle 01 sind gleichverteilt um die Rotationsachse 07 angeordnet, sodass sie jeweils einen Winkel von 120° in Bezug auf die Rotationsachse 07 zueinander aufweisen. Die drei Sensoren 11 zum Messen jeweils eines axialen Abstandes dax zur Welle 01 sind gleichverteilt um die Rotationsachse 07 angeordnet, sodass sie jeweils einen Winkel von 120° in Bezug auf die Rotationsachse 07 zueinander aufweisen.The two sensors 09 for measuring a radial distance d rad to the shaft 01 are evenly distributed around the axis of rotation 07 arranged so that they each make an angle of 120 ° with respect to the axis of rotation 07 have to each other. The three sensors 11 for measuring an axial distance dax to the shaft 01 are evenly distributed around the axis of rotation 07 arranged so that they each make an angle of 120 ° with respect to the axis of rotation 07 have to each other.

Eine Rotation und Belastung der Welle 01 führen dazu, dass sie eine radiale Verlagerung δrad, eine axiale Verlagerung δax und eine Verkippung φ gegenüber der idealen Rotationsachse 07 der Wälzlager 02 erfährt.A rotation and loading of the shaft 01 lead to a radial displacement δ rad , an axial displacement δ ax and a tilt φ with respect to the ideal axis of rotation 07 the roller bearing 02 learns.

2 zeigt ein zu verwendendes Kennfeld eines der in 1 gezeigten Wälzlager 02. Das Kennfeld definiert die Abhängigkeit einer durch das Maschinenelement 01 auf das jeweilige Wälzlager 02 bewirkten Flächenpressung von der radialen Verlagerung δrad, von der axialen Verlagerung δax, von der Verkippung φ und von einer Drehzahl n des rotierenden Maschinenelementes 01. Ein Graph 16 repräsentiert eine maximal zulässige Flächenpressung, die beispielsweise 4.200 N/mm2 betragen kann. 2 shows a map to be used of one of the in 1 shown rolling bearings 02 . The map defines the dependency of the machine element 01 on the respective roller bearing 02 caused surface pressure from the radial displacement δ rad , from the axial displacement δ ax , from the tilt φ and from a speed n of the rotating machine element 01 . A graph 16 represents a maximum permissible surface pressure, which can be 4,200 N / mm 2 , for example.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

0101
Wellewave
0202
Wälzlagerroller bearing
0303
InnenringInner ring
0404
WälzkörperRolling elements
0505
--
0606
AußenringOuter ring
0707
RotationsachseAxis of rotation
0808
SensorträgerringSensor carrier ring
0909
Sensor zum Messen eines radialen AbstandesSensor for measuring a radial distance
1010
--
1111
Sensor zum Messen eines axialen AbstandesSensor for measuring an axial distance
1212th
MessringMeasuring ring
1313th
HülsenabschnittSleeve section
1414th
ScheibenabschnittDisc section
1515th
--
1616
Graphgraph

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 10007126 B4 [0002]DE 10007126 B4 [0002]
  • DE 19919006 C2 [0003]DE 19919006 C2 [0003]
  • EP 2446998 A1 [0004]EP 2446998 A1 [0004]

Claims (10)

Sensoranordnung zum Bestimmen einer Belastung eines Wälzlagers (02), folgende Komponenten umfassend: - mindestens zwei Sensoren (09) zur Messung jeweils eines radialen Abstandes (drad) zum Maschinenelement (01); - mindestens drei Sensoren (11) zur Messung jeweils eines axialen Abstandes (dax) zum Maschinenelement (01); - eine Recheneinheit, welche zum Bestimmen einer radialen Verlagerung (δrad) des Maschinenelementes (01), einer axialen Verlagerung (δax) des Maschinenelementes (01) und einer Verkippung (φ) des Maschinenelementes (01) ausgehend von den mit den mindestens fünf Sensoren (09, 11) messbaren radialen und axialen Abständen (drad, dax) konfiguriert ist.Sensor arrangement for determining a load on a rolling bearing (02), comprising the following components: - at least two sensors (09) for each measuring a radial distance (d rad ) to the machine element (01); - At least three sensors (11) for each measuring an axial distance (dax) to the machine element (01); - A computing unit which is used to determine a radial displacement (δ rad ) of the machine element (01), an axial displacement (δ ax ) of the machine element (01) and a tilt (φ) of the machine element (01) starting from the at least five Sensors (09, 11) measurable radial and axial distances (d rad , d ax ) is configured. Sensoranordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Temperatursensor.Sensor arrangement according to Claim 1 , further comprising a temperature sensor. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend einen Drehzahlsensor.Sensor arrangement according to Claim 1 or 2 , further comprising a speed sensor. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mindestens zwei Sensoren (09) zur Messung jeweils eines radialen Abstandes (drad) zum Maschinenelement (01) und die mindestens drei Sensoren (11) zur Messung jeweils eines axialen Abstandes (dax) zum Maschinenelement (01) in separaten Modulkomponenten angeordnet sind.Sensor arrangement according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the at least two sensors (09) for measuring a radial distance (d rad ) to the machine element (01) and the at least three sensors (11) for measuring an axial distance (dax) to the machine element (01) are arranged in separate module components are. Verfahren zum Bestimmen einer Belastung eines Wälzlagers (02), folgende Schritte umfassend: - Messen einer radialen Verlagerung (δrad) des durch das Wälzlager (02) gelagerten Maschinenelementes (01); - Messen einer axialen Verlagerung (δax) des durch das Wälzlager (02) gelagerten Maschinenelementes (01); - Messen einer Verkippung (φ) des durch das Wälzlager (02) gelagerten Maschinenelementes (01); und - Anwenden eines das Wälzlager (02) beschreibenden Kennfeldes, durch welches eine Belastung des Wälzlagers (02) in Abhängigkeit von der radialen Verlagerung (δrad), von der axialen Verlagerung (δax) und von der Verkippung (φ) definiert ist; wobei, zum mittelbaren Messen der radialen Verlagerung (δrad), der axialen Verlagerung (δax) und der Verkippung (φ) jeweils ein radialer Abstand (drad) zum Maschinenelement (01) an mindestens zwei umfänglichen Positionen des Maschinenelementes (01) und jeweils ein axialer Abstand (dax) zum Maschinenelement (01) an mindestens drei umfänglichen Positionen des Maschinenelementes (01) gemessen werden..Method for determining a load on a roller bearing (02), comprising the following steps: - measuring a radial displacement (δ rad ) of the machine element (01) supported by the roller bearing (02); - Measuring an axial displacement (δ ax ) of the machine element (01) supported by the roller bearing (02); - Measuring a tilt (φ) of the machine element (01) supported by the roller bearing (02); and - using a characteristic diagram describing the rolling bearing (02) by which a load on the rolling bearing (02) is defined as a function of the radial displacement (δ rad ), of the axial displacement (δ ax ) and of the tilt (φ); whereby, for the indirect measurement of the radial displacement (δ rad ), the axial displacement (δ ax ) and the tilting (φ) each a radial distance (d rad ) to the machine element (01) at at least two circumferential positions of the machine element (01) and an axial distance (dax) to the machine element (01) can be measured at at least three circumferential positions of the machine element (01). Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es einen weiteren Schritt umfasst, in welchem eine radial auf das Maschinenelement (01) wirkende Kraft und/oder eine axial auf das Maschinenelement (01) wirkende Kraft aus den an den zwei umfänglichen Positionen gemessenen radialen Abständen (drad) zum Maschinenelement (01) und aus den an den drei umfänglichen Positionen gemessenen axialen Abständen (dax) zum Maschinenelement (01) bestimmt wird.Procedure according to Claim 5 , characterized in that it comprises a further step in which a force acting radially on the machine element (01) and / or a force acting axially on the machine element (01) from the radial distances (d rad ) measured at the two circumferential positions to the machine element (01) and from the axial distances (dax) to the machine element (01) measured at the three circumferential positions. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass es einen weiteren Schritt umfasst, in welchem ein weiteres das Wälzlager (02) beschreibendes Kennfeld angewendet wird, durch welches eine voraussichtliche Lebensdauer des Wälzlagers (02) in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf der radial auf das Maschinenelement (01) wirkenden Kraft und von einem zeitlichen Verlauf der axial auf das Maschinenelement (01) wirkenden Kraft definiert ist, wobei ein ermitteltes Maß der voraussichtlichen Lebensdauer ausgegeben wird.Procedure according to Claim 5 or 6th , characterized in that it comprises a further step in which a further characteristic map describing the rolling bearing (02) is used, by means of which a probable service life of the rolling bearing (02) as a function of a time curve of the radially acting on the machine element (01) Force and is defined by a time curve of the force acting axially on the machine element (01), a determined measure of the expected service life being output. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es einen weiteren Schritt umfasst, in welchem eine Temperatur am Wälzlager (02) gemessen wird, wobei durch das das Wälzlager (02) beschreibende Kennfeld die Belastung des Wälzlagers (02) in Abhängigkeit von der radialen Verlagerung (δrad), von der axialen Verlagerung (δax), von der Verkippung (φ) und von der Temperatur definiert ist.Method according to one of the Claims 5 until 7th , characterized in that it comprises a further step in which a temperature on the roller bearing (02) is measured, the load on the roller bearing (02) as a function of the radial displacement (δ rad ) through the characteristics map describing the roller bearing (02) , from the axial displacement (δ ax ), from the tilt (φ) and from the temperature. Wälzlager mit einer Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.Rolling bearings with a sensor arrangement according to one of the Claims 1 until 4th . Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sie zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8 konfiguriert ist.Sensor arrangement according to one of the Claims 1 until 4th , wherein they are used to carry out a method according to one of the Claims 5 until 8th is configured.
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DE10007126B4 (en) 2000-02-17 2006-06-22 Paul Müller GmbH & Co. KG Unternehmensbeteiligungen Spindle with a data storage element
EP2446998A1 (en) 2010-10-27 2012-05-02 JTEKT Corporation Spindle condition detection device for machine tool

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