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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Drehzahl eines Wälzkörpers.
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Ein Wälzlager ermöglicht beispielsweise die reibungsarme Drehung eines drehbaren Teils um eine feststehende Achse. Hierzu umfasst das Wälzlager üblicherweise eine Innenschale und eine Außenschale. Zwischen den Schalen sind Wälzkörper zum Beispiel in der Form von Zylindern, Walzen, Tonnen oder Kugeln angeordnet. Die Wälzkörper können dabei in einem Lagerkäfig voneinander beabstandet angeordnet sein. Je nach Auslegung des Wälzlagers können radial und/oder axial wirkende Kräfte sowie Kippmomente aufgenommen werden.
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Besonders beim Testbetrieb eines Wälzlagers ist die Drehzahl der Wälzkörper im Verhältnis zur eigentlichen Drehzahl des Wälzlagers von Interesse, um deren Schlupf im Wälzlager und damit nachfolgend eine Beschädigung des Wälzlagers zu minimieren. Hierzu kann ein Wälzkörper beispielsweise mit einer Hochgeschwindigkeitskamera überwacht werden. Weiterhin ist es bekannt, einen Wälzkörper mit magnetischen Eigenschaften zu verwenden und das durch die Drehung des Wälzkörpers erzeugte elektromagnetische Feld auszumessen.
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Weiterhin offenbart die
DE 10 2008 061 280 B4 ein Verfahren zur Messung der Drehzahl eines Wälzkörpers, wobei das vom sich drehenden Wälzkörper erzeugte Magnetfeld mit einer Ringspule gemessen wird. Hierzu wird ein Signal der in der Ringspule induzierten Messspannung verarbeitet.
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Die
DE 10 2017 111 738 A1 zeigt eine Lageranordnung zur Drehzahlbestimmung von Wälzkörpern, die zwischen einem Lagerinnenelement und einem Lageraußenelement angeordnet sind und von denen mindestens einer einen Magnetkörper umfasst, wobei zur Erfassung des Magnetfeldes des Magnetkörpers ein Hall-Sensor vorgesehen ist.
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Nach der
DE 10 2007 056 538 A1 ist einem Wälzkörper einer Wälzlageranordnung eine magnetische Codierung zugeordnet deren Bewegung durch eine Spule eines Empfängers erfasst wird.
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Ferner beschreibt die
DE 10 2015 205 336 A1 eine Wälzlageranordnung mit Wälzkörpern, die ein sich änderndes Magnetfeld mittels unterschiedlicher Magnetisierung aufweisende Teilflächen erzeugen.
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Darüber hinaus ist der
DE 10 2018 100 393 A1 eine Wälzlageranordnung mit einer Sensoranordnung zu entnehmen, wobei eine Sensoreinheit drehfest mit einem ersten Lagerring und ein Signalgeber drehfest mit einem Wälzkörper verbunden ist.
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Besonders bei ölgeschmierten Wälzlagern ist der Einsatz einer Kamera praktisch nicht möglich und beispielsweise im Testbetrieb auf einem Prüfstand für Verbrennungsmotoren wird ein üblicherweise sehr kleines elektrisches Spannungssignal durch Fremdsignale und elektromagnetische Störstrahlung entweder unterdrückt oder stark verzerrt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Drehzahl eines Wälzkörpers zuverlässig gemessen werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, dass bei einem Wälzlager mit einer Innenschale und einer Außenschale und dazwischen angeordneten Wälzkörpern in an sich bekannter Weise mindestens einer der Wälzkörper magnetisiert ist. Durch die Rotationsbewegung dieses mindestens einen magnetisierten Wälzkörper im Wälzlager wird ein elektromagnetisches sich änderndes Feld erzeugt.
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Nunmehr sind dem Wälzlager zur Erfassung der Drehzahl des Wälzkörpers zwei voneinander beabstandete Metallringe zugeordnet. Die Metallringe sind an der Stirnseite des Wälzlagers angeordnet. Zwischen den beiden Metallringen ist ein Spalt ausgebildet, der konzentrisch zur Drehachse des Wälzlagers angeordnet und üblicherweise mit Luft gefüllt ist. Durch den sich bewegenden Wälzkörper wird in den beiden Metallringen jeweils ein magnetischer Fluss erzeugt, der neben der Stärke der Magnetisierung des Wälzkörpers von der Drehgeschwindigkeit und damit der Drehzahl des Wälzkörpers abhängt. Dabei ist der magnetische Widerstand der Metallringe wesentlich geringer als der magnetische Widerstand in dem dazwischen ausgebildeten Luftspalt. Der in den beiden Metallringen jeweils induzierte magnetische Fluss, beziehungsweise dessen Änderungen und Unterschiede, die unter anderem durch die unterschiedlichen Größen der Metallringe verursacht wird, wird mittels eines Hall-Sensors erfasst, der in dem Spalt zwischen den Metallringen angeordnet ist. Dabei können unter anderem die magnetischen Widerstände aus den bekannten Geometrien und Materialeigenschaften der Metallringe und der Luft im Voraus berechnet werden.
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Der verwendete Hall-Sensor beruht auf dem Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern und ist beispielsweise als dünner, kristalliner und dotierter Halbleiter mit vier Elektroden ausgebildet. Durch zwei gegenüberliegende Elektroden fließt zur Messung ein Strom und an den beiden anderen gegenüberliegenden Elektroden kann die Hallspannung zur Auswertung des sich ändernden Magnetfelds, das den Hall-Sensor durchdringt, abgenommen werden.
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Es versteht sich, dass in dem Spalt zwischen den Metallringen auch mehrere Hall-Sensoren angeordnet sein können, die beispielsweise äquidistant in dem Spalt angeordnet sind und/oder, dass mehr als ein Wälzkörper magnetisiert ist. Dabei kann entweder der Wälzkörper selbst magnetisiert sein oder, wenn dies aus materialtechnischen Gründen beispielsweise wegen der Verschleißfestigkeit nicht möglich ist, dem Wälzkörper wird, wie im Folgenden beschrieben, ein Magnet zugeordnet.
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Beispielsweise können in dem Spalt zwischen den Ringen acht Hall-Sensoren angeordnet sein.
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Die Messpannung der Hall-Sensoren ist dabei der magnetischen Flussdichte B im Metall der beiden Ringe, beziehungsweise in dem mit Luft gefüllten Spalt dazwischen, proportional. Somit ist die Signalamplitude unabhängig von der Drehzahl des Wälzkörpers bis zu dessen Stillstand. Auch induktive oder kapazitive Störeinstrahlung beeinflusst das Messergebnis praktisch nicht.
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Insbesondere kann diese Messvorrichtung kontaktlos ausgebildet sein, das heißt, dass sich die Wälzkörper einerseits und die Metallringe mit dem Hall-Sensor andererseits nicht berühren. Dabei besteht insbesondere kein elektrischer Kontakt zwischen den Metallringen und dem Wälzlager, um eine Messpannung des Hall-Sensors nicht zu verfälschen. Beispielsweise ist zwischen den sich bewegenden Teilen des Wälzlagers und der Vorrichtung bestehend aus den metallischen Ringen und dem oder den Hall-Sensoren, in axialer Drehrichtung des Wälzlagers gesehen, eine Lücke von zwei Millimetern gebildet.
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Ebenso können Wälzlager mit Durchmessern von einigen Zentimetern bis beispielsweise ein oder mehreren Metern ausgemessen werden. Auch ist eine Messung beziehungsweise Überwachung im Betrieb des Wälzlagers möglich, bei dem beispielsweise eine Vorrichtung mit den Metallringen und dem oder den Hall-Sensoren an ein laufendes Wälzlager aufgesetzt wird, um beispielsweise eine geringe Wälzlagerbelastung, die in verstärktem Schlupf resultiert, erkennen zu können.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Nutzung des Hall-Effekts zwischen den beiden zusätzlichen Metallringen, die ihrerseits durch den sich bewegenden Wälzkörper magnetisiert werden, vom Stillstand bis zu hohen Drehzahlen des Wälzkörpers eine hohe Messgenauigkeit erzielt wird. Der eigentliche Hall-Sensor, der beispielsweise auf einer elektronischen Leiterplatte oder Platine zur Erfassung der Hall-Spannung angeordnet ist, kann auch in dem engen Bauraum des Spalts angeordnet und gegebenenfalls gegen das Öl einer Schmierung des Wälzlagers einfach gekapselt werden. Auf der Platine kann auch unmittelbar eine Signalauswertung verschaltet und ein Spannungssignal zur Messdatenerfassung ausgegeben werden.
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Insbesondere erfolgt bei diesem Messprinzip praktisch keine Störung durch externe elektromagnetische Felder beziehungsweise durch Störstrahlung, die beispielsweise auf einem Prüfstand für ein Wälzlager praktisch nicht zu vermeiden ist. Somit kann ein solches Wälzlager mit der zusätzlichen Vorrichtung insbesondere auch bei einer Ölbadschmierung eingesetzt werden zur Schlupfuntersuchung der Wälzkörper, wie es beispielsweise bei der Auslegung von Wälzlagern für Windräder erforderlich ist.
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Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
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In einer ersten Ausgestaltung erfolgt die Ausstattung eines Wälzkörpers mit magnetischen Eigenschaften dadurch, dass der Wälzkörper mit einem Diametralmagnet ausgestattet ist. Ein solcher Diametralmagnet weist beispielsweise eine Stab- oder Zylinderform auf und wird auf einen Wälzkörper parallel zu dessen Drehachse ausgerichtet aufgesetzt. Dabei ist die Nord-Süd-Polung des Diametralmagneten im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse des Wälzkörpers ausgerichtet, um bei dessen Drehung ein möglichst großes elektromagnetisches Feld zu induzieren. Solche Magnete umfassen für hohe Feldstärken vorzugsweise Neodym.
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Auch eine Ausgestaltung mit mehreren Nord- und Südpolen in einem beispielsweise Stabmagneten ist möglich.
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Zusätzlich oder alternativ können an einem Wälzkörper auch mehrere Magnete angeordnet werden, um ein stärkeres Magnetfeld auszubilden.
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Prinzipiell kann auch der Wälzkörper selbst eine entsprechende magnetische Polung aufweisen.
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In einfacher Weise bestehen die beiden Metallringe aus Baustahl, wie beispielsweise der Güteklasse ST-37. Dieses Material ist einfach verarbeitbar und formbar, günstig in der Herstellung und weist gute Eigenschaften zur Induzierung eines magnetischen Flusses in seinem Inneren auf.
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In gleicher Weise können auch andere beliebige metallische Werkstoffe für die beiden Ringe verwendet werden, wie gewickeltes Elektroblech oder ein Mumetallband. Ein Elektroblech ist ein weichmagnetischer Werkstoff, der insbesondere zur Herstellung von Magnetkernen verwendet wird und beispielsweise ein kaltgewalztes Band aus einer Eisen-Silizium-Legierung ist. Ein Mumetall ist eine weichmagnetische Eisen-Nickel-Legierung, mit hoher magnetischer Permeabilität, die unter anderem zur Abschirmung niederfrequenter Magnetfelder dient.
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Weiterhin ist für die Metallringe vorgeschlagen, dass sie aus zu Ringen verbundenen Stahlseilen oder aus gesinterten Ferritwerkstoffen bestehen. Die Stahlseile können insbesondere bei groß dimensionierten Wälzlagern einfach gehandhabt werden und die gesinterten Werkstoffe sind für die Verwendung bei kleinsten Wälzlagern in gewünschter Weise formbar.
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Zur Handhabung und zur elektrischen Isolation der Metallringe ist vorgeschlagen, dass diese ihrerseits in einem Käfig beziehungsweise in einem Gehäuse angeordnet sind, das insbesondere aus Kunststoff besteht. Dabei können in dem Gehäuse Durchbrüche für die Zuleitungen zu den beispielsweise acht Hall-Sensoren angeordnet sein.
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Nach einer Weiterbildung ist ein weiterer Hall-Sensor für die Messung einer eine Drehzahl eines Lagerkäfigs der Wälzkörper vorhanden, wobei der Lagerkäfig für die Wälzkörper mit einem eigenen Diametralmagneten ausgestattet ist und der Hall-Sensor das durch diesen Diametralmagneten induzierte Magnetfeld ausmisst. Hierzu kann beispielsweise an einem vorhandenen Lagerkäfig ein eigener Magnet, beispielsweise mit einer erheblich abweichenden magnetischen Feldstärke, angeordnet sein, um ein von anderen vorhandenen Magneten unterscheidbares Signal zu induzieren, das dann von einem speziell hierfür ausgelegten Hall-Sensor erfasst wird. Somit wird nicht nur die Drehzahl des Wälzkörpers selbst erfasst und überwacht, sondern auch die Drehzahl des Lagerkäfigs, um dessen Schlupf relativ zu den Schalen des Wälzlagers zu überwachen.
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Im Rahmen der Erfindung ist es umfasst, dass das Wälzlager entweder bereits vom Hersteller mit einer entsprechenden Vorrichtung ausgestattet ist, um es beispielsweise im Dauerbetrieb überwachen zu können oder die Vorrichtung mit den Metallringen und dem mindestens einen Hall-Sensor wird separat vermarktet, um daran unterschiedliche Wälzlager ausmessen zu können.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.
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Die Figuren der Zeichnung zeigen:
- 1 eine Explosionsdarstellung eines Wälzlagers,
- 2 eine Darstellung eines Messignals eines Hall-Sensors,
- 3 Darstellungen verschiedener Diametralmagneten und
- 4 eine schematische Teildarstellung eines alternativ ausgestalteten Wälzlagers.
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In den rein schematischen 1 bis 4 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen jeweils die gleichen Komponenten.
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In 1 ist ein Wälzlager 1 wiedergegeben. Es umfasst in an sich bekannter Weise eine Innenschale 2 und eine Außenschale 3, zwischen denen mehrere Wälzkörper 4, zum Beispiel in Zylinderform, angeordnet sind. Mit dem Wälzlager 1 kann beispielsweise ein Rad oder ein sonstiger Drehkörper drehbar auf einer Achse gelagert sein. Das Wälzläger 1 ist zur Verringerung der Reibung vorzugsweise ölgeschmiert und die Wälzkörper 4 können zwischen der Innenschale 2 und der Außenschale 3 zusätzlich in einem zur Vereinfachung der Darstellung hier nicht abgebildeten Lagerkäfig angeordnet sein, um deren gegenseitigen konstanten Abstand zu gewährleisten.
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Zur Erfassung der Drehzahl der einzelnen Wälzkörper 4 dient eine Vorrichtung, die im Wesentlichen einen Diametralmagneten 11 umfasst, der einem Wälzkörper 4 zugeordnet ist, sowie zwei Metallringe 5, 6, von denen einer als innerer Ring und einer als äußerer Ring ausgebildet ist, zwischen denen ein Spalt 13 vorhanden ist, in dem mindestens ein, hier beispielhaft acht äquidistant verteilte, Hall-Sensoren 7 angeordnet sind. Der Spalt 13 ist dabei konzentrisch zur Drehachse des Wälzlagers 1 angeordnet. Zwischen den Wälzkörpern 4 beziehungsweise dem Diametralmagnet 11 und den Metallringen 5, 6 ist in axialer Richtung des Wälzlagers 1 gesehen, eine Lücke von zwei Millimetern gebildet, so dass sich die Einzelteile nicht berühren.
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Ein Diametralmagnet 11 weist eine Nord-Süd-Polung auf, die derart ausgerichtet ist, dass sie im Wesentlichen senkrecht zu einer Drehachse des Wälzkörpers 4 ausgerichtet ist. Prinzipiell könnte auch der Wälzkörper 4 selbst entsprechend magnetisiert sein. Der Diametralmagent 11, beispielsweise ein Neodym-Dauermagnet, ist über einen Adapter 10 und eine Bohrung 12 koaxial zu seiner Drehachse an dem Wälzkörper 4 angeordnet. Durch den sich drehenden Wälzkörper 4, beziehungsweise den Diametralmagent 11, wird in den beiden Metallringen 5, 6 jeweils ein magnetischer Fluss induziert. Zwischen den beiden Metallringen 5, 6 ist ein vorzugsweise mit Luft gefüllter Spalt 13 ausgebildet, der zu einer Drehachse des Wälzlagers 1 konzentrisch ist. Dabei ist der magnetische Widerstand in den Metallringen 5, 6 wesentlich geringer als im Spalt 13.
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Aus den Geometrien der Metallringe 5, 6 sowie deren Materialeigenschaften kann die Induktion des magnetischen Flusses berechnet werden. Zu dessen realer Messung dient ein Hall-Sensor 7, der beispielsweise auf einer Platine mit Auswerteelektronik angeordnet ist. Der Hall-Sensor 7 ist in dem Spalt 13 angeordnet, wobei er elektrisch von diesen isoliert ist. Aus der von dem Hall-Sensor 7 erhaltenen Messpannung kann somit auf die Umdrehungszahl eines einzelnen Wälzkörpers 4 geschlossen werden. Bei einer ebenfalls gemessenen Drehzahl des Wälzlagers 1 kann somit auf einen vorhandenen Schlupf der einzelnen Wälzkörper 4 geschlossen werden.
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Ist ein Lagerkäfig für die Wälzkörper 4 vorgesehen kann dieser mit einem eigenen Diametralmagneten 11 ausgestattet sein, um die Drehzahl des Lagerkäfigs im Wälzlager 1 und damit dessen Schlupf zu erfassen. Hierzu kann auch ein eigener Hall-Sensor 7 vorgesehen sein, um ein speziell durch diesen Diametralmagneten 11 induziertes Magnetfeld auszumessen.
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Insbesondere bei einer Ausstattung des Wälzlagers 1 mit einer ÖIbadschmierung, ist eine Kapselung der Metallringe 5, 6 sowie des oder der Hall-Sensoren 7 bevorzugt. Hierzu dient ein Gehäuse 8, vorzugsweise aus Kunststoff, um einen elektrischen Kontakt, insbesondere mit den Hall-Sensoren 7, zu unterbinden. In dem Gehäuse 8 sind vorzugsweise abgedichtete Durchbrüche 9 für die elektrischen Zuleitungen der Hall-Sensoren 7 ausgebildet.
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Weiterhin besteht zwischen den rotierenden Wälzkörpern 4 und deren zugeordneten Diametralmagneten 11 sowie der Vorrichtung beziehungsweise den Metallringen 5, 6 kein mechanischer Kontakt.
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Die vorstehend beschriebene Vorrichtung kann entweder integraler Bestandteil eines Wälzlagers 1 sein, um dieses auch im Dauerbetrieb überwachen zu können oder ein zu prüfendes Wälzlager 1 wird auf einem Prüfstand an diese Vorrichtung angeflanscht, um das Wälzlager 1 bei dessen Entwicklung und Erprobung auszumessen. Dabei kann die Größe des Wälzlagers 1 an sich beliebig gewählt werden, das heißt von einem Durchmesser beispielsweise im Zentimeterbereich bis zum Meterbereich.
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In 2 ist beispielhaft ein Messsignal eines Hall-Sensors 7 eines Wälzlagers 1 abgebildet. Dabei ist auf der x-Achse die Zeit in Millisekunden abgetragen und auf die y-Achse die Messspannung in Volt. Die gekrümmte, also kurvenförmige Linie 18 ist dabei das eigentliche Messignal und die eckige, also rechteckförmige Linie 19 die daraus abgeleitete Triggerkurve, die beispielsweise bei jeder Hochstelle für eine einmalige Drehung eines Wälzkörpers 1 steht. Die eigentliche Umdrehungszahl des Wälzlagers 1 beträgt hier 460 U/min und entsprechend kann ein entsprechender Schlupf des Wälzkörpers 1 abgeleitet werden.
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In 3 sind drei verschiedene Ausgestaltungen eines Diametralmagneten 11 dargestellt. In 3a ist ein sechspoliger Diametralmagnet 11 abgebildet, der aus sechs unterschiedlich angeordneten Magneten 14 besteht, deren Nordpole N und Südpole S jeweils abwechselnd angeordnet sind. 3b zeigt einen Diametralmagnet 11, der aus sechs abwechselnd angeordneten Magneten 14 zusammengesetzt ist, die in einem Adapter 10 angeordnet sind. Hierzu sind die Magnete 14 in eine Hülse 16 eingesetzt, die wiederum an einem Stift 15 befestigt ist, der in eine Bohrung 12 in einem Wälzkörper 4 eingesteckt wird. Schließlich ist in 3c ein Diametralmagnet 11 links in einer Draufsicht von hinten und rechts in einer perspektivischen Ansicht von vorne abgebildet. Dabei sind jeweils zwei Magnete 14 mit gleicher Ausrichtung Nordpole N und Südpole S radial beabstandet angeordnet und die magnetische Orientierung wechselt sich über den Umfang gesehen ab. Die Magnete 14 sind hierzu in eine Hülse 16 eingesetzt.
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In 4 ist eine alternative Ausgestaltung der Metallringe 5, 6 des Wälzlagers 1 dargestellt. Hier sind die Metallringe 5, 6 in Form von zwei voneinander beabstandeten Stahlseilen 17a, 17b ausgebildet, zwischen denen ein vorzugsweise luftgefüllter Spalt 13 besteht. In dem Spalt 13 sind vorliegend wiederum acht Hall-Sensoren 7 äquidistant angeordnet. Die Stahlseile 17 sind besonders bei großen Durchmessern des Wälzlagers 1, beispielsweise für ein Windrad, in einfacher Weise zu handhaben.
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Die Metallringe 5, 6 können beispielsweise aus Baustahl in der Güte ST-37, aus Mumetall oder aus Elektroblech bestehen oder besonders bei kleinen Wälzlagern 1 aus einem gesinterten Ferritmaterial.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlager
- 2
- Innenschale
- 3
- Außenschale
- 4
- Wälzkörper
- 5
- Metallring (Innenring)
- 6
- Metallring (Außenring)
- 7
- Hall-Sensor
- 8
- Gehäuse
- 9
- Durchbruch in 8
- 10
- Adapter
- 11
- Diametralmagnet
- 12
- Bohrung in 4
- 13
- Spalt
- 14
- Magnet
- 15
- Stift
- 16
- Hülse
- 17
- Stahlseil
- 18
- Linie
- 19
- Linie
- N
- Nordpol von 14
- S
- Südpol von 14
