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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten des Montagespiels zwischen Lagerkomponenten einer Wälzlagerung, wobei die Lagerkomponenten wenigstens zwei einander gegenüberstehende Laufbahnen mit zwischen diesen angeordneten, auf den Laufbahnen abwälzenden Wälzkörpern umfassen und mit der Wälzlagerung ein Rotor oder dergleichen um eine Drehachse umlaufend gelagert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft bei Wälzlagerungen zur Lagerung eines Rotors, der mit sehr hohen Drehzahlen umläuft, anwendbar, beispielsweise bei Abgasnutzturbinenrotoren eines Abgasturboladers oder eines anderen Abgaswärmenutzsystems. Andere vorteilhafte Anwendungen sind beispielsweise die Lagerung von Rotoren eines Brennstoffzellenverdichters, einer Vakuumpumpe oder anderer elektrisch oder durch ein Fluid angetriebener Aggregate.
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Schnelldrehende Rotoren, wie sie die vorliegende Erfindung insbesondere betrifft, werden typischerweise mit einer sogenannten Lagerkartusche oder mit Einzellagern gelagert, wobei die Kartuschen oder Einzellager vom Lagerhersteller mit einem bestimmten axialen Spiel ausgeliefert werden. Der Kunde montiert die Lagerkartuschen beziehungsweise Einzellager und reduziert durch die Montage das axiale und/oder radiale Lagerspiel, beispielsweise durch eine Kompression eines Lagerinnenrings beziehungsweise durch einen Presssitz jenseits der Laufbahnen. Bei einer Einzellagerausführung werden die Lager beispielsweise durch Federn oder andere Bauteile, wie Abstandshülsen oder Distanzscheiben, vorgespannt. Das montierte Endspiel (MEP) kann hierbei nur sehr schwer durch Berechnungen und Messaufbauten während der Serienfertigung ermittelt werden, wobei die Messanlagen hierfür äußerst teuer sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bewerten des Montagespiels zwischen Lagerkomponenten einer Wälzlagerung, insbesondere der zuvor dargestellten Art, anzugeben, das einfach und kostengünstig ausführbar ist und zuverlässige Ergebnisse erzielt.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen werden vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bewerten des Montagespiels zwischen Lagerkomponenten einer Wälzlagerung, wobei die Lagerkomponenten wenigstens zwei einander gegenüberstehende Laufbahnen mit zwischen diesen angeordneten, auf den Laufbahnen abwälzenden Wälzkörpern umfassen und mit der Wälzlagerung ein Rotor oder dergleichen um eine Drehachse umlaufend gelagert wird, weist die folgenden Schritte auf:
- - Antreiben des Rotors um die Drehachse durch Übertragen von Antriebsleistung auf den Rotor;
- - zumindest mittelbares Bestimmen der Größe der Antriebsleistung beim Antreiben des Rotors.
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Erfindungsgemäß wird die bestimmte Größe der Antriebsleistung mit wenigstens einem vorgegebenen Grenzwert oder Grenzbereich verglichen und in Abhängigkeit dieses Vergleichs wird das Montagespiel zwischen den Lagerkomponenten bewertet.
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Beispielsweise kann der Rotor mittels einer Antriebsmaschine angetrieben werden, an welche der Rotor über eine Triebverbindung angeschlossen ist oder in welche der Rotor integriert ist, wobei die Größe der Antriebsleistung durch zumindest mittelbares Erfassen der Leistungsaufnahme und/oder Leistungsabgabe der Antriebsmaschine beim Antreiben des Rotors bestimmt wird. Somit kann die Antriebsmaschine separat zu dem Rotor vorgesehen oder an diesem angeschlossen sein und insbesondere einen eigenen Läufer aufweisen. Alternativ kann der Rotor selbst als Rotor der Antriebsmaschine ausgeführt sein und beispielsweise durch Übertragung eines elektrischen Feldes und/oder Magnetfeldes und/oder pneumatischen oder hydraulischen Druckes angetrieben werden.
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Besonders bevorzugt wird beim Antreiben des Rotors dessen Drehzahl kontinuierlich oder intermittierend gemessen und bei der Bewertung des Montagespiels berücksichtigt. Insbesondere wird der Drehzahlverlauf des Rotors erfasst und die Größe der Antriebsleistung drehzahlabhängig bestimmt, sodass vorteilhaft der Vergleich der Antriebsleistung bei verschiedenen Drehzahlverläufen und/oder Drehzahlen und/oder in verschiedenen Drehzahlbereichen erfolgen kann.
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Alternativ ist es auch möglich, anstelle der Erfassung des Drehzahlverlaufs des Rotors zusätzlich zur Erfassung der Antriebsleistung des Rotors die Antriebsleistung mittelbar aus dem Drehzahlverlauf des Rotors über der Zeit und/oder die Beschleunigung des Rotors über der Zeit erfasst werden, um hieraus auf die Größe der Antriebsleistung zu schließen.
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Die Erfindung greift somit auf eine Größe zur Bewertung des Montagespiels, bei welchem es sich um ein Axialspiel und/oder ein Radialspiel handeln kann, zurück, die besonders leicht ermittelbar ist. So kann das Verfahren beispielsweise vorteilhaft zusammen mit einem Auswuchtprozess und insbesondere mit einer kontinuierlichen Drehzahlmessung des Rotors durchgeführt werden, beispielsweise auf einer herkömmlichen Wuchtmaschine, wobei das Antreiben des Rotors um die Drehachse mittels der Antriebsmaschine (der Wuchtmaschine) gleichzeitig zum Durchführen des Auswuchtprozesses, insbesondere einer zeitlichen Veränderung der Rotordrehzahl, und zum Bestimmen der Antriebsleistung, insbesondere zum Erfassen der Leistungsaufnahme und/oder der Leistungsabgabe der Antriebsmaschine, für den genannten Vergleich erfolgt, vorteilhaft mit Bezug auf den Drehzahlverlauf. So muss nämlich sowohl für den Auswuchtprozess als auch für die Bewertung des Montagespiels gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren der Rotor auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt werden, beziehungsweise über einen vorbestimmten Drehzahlbereich, der verschiedene Drehzahlen beinhaltet, angetrieben werden, um die mit der Wälzlagerung gelagerte Baugruppe, d.h. den Rotor mit gegebenenfalls angeschlossenen Bauteilen wuchten zu können und um vorteilhaft das Montagespiel bestimmen zu können. Es ist allein notwendig, zusätzlich zu dem herkömmlichen Wuchtprozess die Antriebsleistung, insbesondere die Leistungsaufnahme und/oder Leistungsabgabe der Antriebsmaschine, beim Antreiben des Rotors, vorteilhaft einschließlich seines Drehzahlverlaufs, zu erfassen, zumindest mittelbar, um diese drehzahlabhängige Leistungsaufnahme dann zur Bewertung des Montagespiels zwischen den Lagerkomponenten heranziehen zu können.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist kostengünstig feststellbar, ob bei der Montage einer von einem Lagerhersteller ausgelieferten Wälzlagerung die innere Lagergeometrie aufgrund einer Änderung des axialen Montagespiels und/oder radialen Montagespiels verändert wurde, weil sich damit nämlich die Reibung zwischen den Wälzkörpern, beispielsweise Kugeln, und den Laufbahnen in den Kontaktbereichen verändern, insbesondere erhöhen, kann. Damit ändert sich auch die zum Antreiben des Rotors um die Drehachse notwendige Antriebsleistung, insbesondere die notwendige Leistungsaufnahme beziehungsweise Leistungsabgabe der Antriebsmaschine, um eine bestimmte Drehzahl des Rotors zu erreichen. Eine zu hohe Vorspannung des Lagers durch die Montage erhöht jedoch nicht nur die Reibung, was durch das erfindungsgemäße Verfahren leicht feststellbar ist, sondern auch die in der Wälzlagerung auftretenden Temperaturen, was zu einem reduzierten Leistungsverhalten, wie beispielsweise einer reduzierten Lebensdauer, einem erhöhten Verschleiß und einem geringeren Wirkungsgrad führt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können, wenn das Verfahren vor der Inbetriebnahme der Wälzlagerung, das heißt vor deren bestimmungsgemäßen Gebrauch, durchgeführt wird, Korrekturen durchgeführt werden, um das gewünschte Montagespiel wieder herzustellen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Rotor über einen vorbestimmten Drehzahlbereich, der verschiedene Drehzahlen beinhaltet, mit welchen der Rotor um die Drehachse umläuft, angetrieben und die Antriebsleistung, insbesondere die Leistungsaufnahme und/oder Leistungsabgabe der Antriebsmaschine, wird bei den verschiedenen Drehzahlen zumindest mittelbar bestimmt, insbesondere erfasst, und mit einem oder mehreren vorgegebenen Grenzwerten oder Grenzbereichen verglichen, wobei in Abhängigkeit dieses Vergleichs bei den verschiedenen Drehzahlen das Montagespiel zwischen den Lagerkomponenten bewertet wird. Bevorzugt muss die Antriebsleistung, insbesondere die Leistungsaufnahme und/oder die Leistungsabgabe der Antriebsmaschine, bei jeder der verschiedenen vorgegebenen Drehzahlen in einem definierten Toleranzbereich liegen, um das Montagespiel als geeignet zu bewerten.
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Die Antriebsleistung, insbesondere die Leistungsaufnahme und/oder Leistungsabgabe der Antriebsmaschine, kann auf vielfältige Weise ermittelt werden, beispielsweise mittels einer Strömungsleistungsaufnahme und/oder - abgabe, insbesondere in Form eines Luftdruckes und/oder Luftvolumenstromes, bei einer pneumatisch arbeitenden Antriebsmaschine, oder durch die elektrische Leistungsaufnahme und/oder Leistungsabgabe bei einer elektrischen Antriebsmaschine. Entsprechend kann bei einer hydraulischen Antriebsmaschine wieder die Strömungsleistungsaufnahme und/oder -abgabe, insbesondere der Hydraulikdruck und/oder der Volumenstrom des Hydraulikmediums, das als Arbeitsmedium der Antriebsmaschine wirkt, bestimmt werden. Die Bestimmung der Antriebsleistung beziehungsweise der Leistungsaufnahme und/oder Leistungsabgabe erfolgt bevorzugt mit Bezug auf die jeweilige Rotordrehzahl.
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Der wenigstens eine vorgegebene Grenzwert oder Grenzbereich wird bevorzugt vor den dargestellten Schritten anhand von wenigstens einer oder mehreren Musterwälzlagerungen empirisch bestimmt und für den Vergleich hinterlegt. Hierfür kann bei der wenigstens einen Musterwälzlagerung das entsprechende Montagespiel zwischen den Lagerkomponenten mechanisch gemessen und, wie gewünscht, exakt eingestellt werden, um dann die zugehörige Antriebsleistung, insbesondere die Leistungsaufnahme und/oder Leistungsabgabe einer Antriebsmaschine, entsprechend dem späteren Anlagenaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erfassen und zu hinterlegen.
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Besonders vorteilhaft wird eine Änderung der Antriebsleistung über der Rotordrehzahl bestimmt und die Leistungsveränderung über der Drehzahl wird mit einem vorgegebenen Grenzwert oder Grenzbereich verglichen, um in Abhängigkeit dieses Vergleichs das Montagespiel zwischen den Lagerkomponenten zu bewerten. Auch hierbei kann die vorgenannte empirische Bestimmung des Grenzwerts oder Grenzbereichs der Leistungsveränderung über der Rotordrehzahl anhand von wenigstens einer oder mehreren Musterwälzlagerungen erfolgen und für den Vergleich hinterlegt werden.
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Auch die Antriebsleistungsveränderung kann durch zumindest mittelbares Erfassen der Leistungsaufnahme und/oder Leistungsabgabe der Antriebsmaschine beziehungsweise eine entsprechende Änderung der Leistungsaufnahme und/oder Leistungsabgabe der Antriebsmaschine bestimmt werden.
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Bevorzugt wird der wenigstens eine vorgegebene Grenzwert oder Grenzbereich anhand von mehreren Musterwälzlagerungen mit verschiedenen vorgegebenen Montagespielen zwischen den Lagerkomponenten empirisch bestimmt und entsprechend für den Vergleich hinterlegt.
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In der Regel wird der Rotor über dem vorbestimmten Drehzahlbereich zunehmend beschleunigt werden. Jedoch kommt zusätzlich oder alternativ auch ein Abbremsen des Rotors beim entsprechenden Antreiben des Rotors um die Drehachse in Betracht, um einen vorgegebenen Drehzahlbereich von oben nach unten zu durchfahren.
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Zur Bewertung des Montagespiels können beim Antreiben des Rotors um die Drehachse auftretende Zustände der Wälzlagerung, wie beispielsweise eine Geräuschentwicklung, Körperschallentwicklung und/oder ein Temperaturanstieg in der Wälzlagerung, zusätzlich herangezogen werden. So kann eine laute Geräuschentwicklung beispielsweise auf ein Anlaufen von Lagerkomponenten deuten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die Bewertung des Montagespiels zwischen Lagerkomponenten einer Wälzlagerung, wobei die Lagerkomponenten einen Lagerinnenring, der eine radial äußere Laufbahn ausbildet, und einen Lageraußenring, der eine radial innere Laufbahn ausbildet, umfassen und wobei als Montagespiel ein Axialspiel in Richtung der Drehachse bewertet wird. Zusätzlich kann auch ein Radialspiel senkrecht zur Drehachse bewertet werden.
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Der Lagerinnenring und der Lageraußenring können jeweils wenigstens eine Schulter aufweisen, an der sich die Wälzkörper in Richtung der Drehachse abstützen, und der Lagerinnenring kann in Richtung der Drehachse über die Wälzkörper gegen den Lageraußenring verspannt sein. Entsprechend ist dann auch der Lageraußenring in Richtung der Drehachse über die Wälzkörper gegen den Lagerinnenring verspannt.
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Bevorzugt wird der Rotor in einem Drehzahlbereich, der zumindest im Wesentlichen einer Nenndrehzahl des Rotors oder Nenndrehzahlbereich des Rotors entspricht, angetrieben, wenn die Antriebsleistung, insbesondere die Leistungsaufnahme und/oder Leistungsabgabe der Antriebsmaschine, zur Bewertung des Montagespiels bestimmt beziehungsweise erfasst wird. So weisen nämlich besonders Rotoren, die als Abgasnutzturbinenrotoren von Abgaswärmenutzsystemen ausgeführt sind und ein Turbinenrad einer Abgasnutzturbine tragen, hohe Nenndrehzahlen bis zu mehreren 100.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) auf. Beispielsweise handelt es sich bei dem Rotor um den Rotor eines Abgasturboladers oder den Rotor einer Abgasnutzturbine eines Turbocompoundsystems. Jedoch kommen auch beispielsweise Rotoren elektrischer Verdichter, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, elektrischer Booster oder elektrischer Turbolader, und/oder Rotoren anderer Abwärmenutzsysteme und/oder auch eines Brennstoffzellensystems, jeweils insbesondere in einem Kraftfahrzeug, in Betracht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur exemplarisch beschrieben werden.
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In der 1 ist ein Beispiel für eine Wälzlagerung einer Abgasnutzturbine dargestellt, deren Montagespiel zwischen Lagerkomponenten erfindungsgemäß überwacht wird. Die Überwachung erfolgt beispielsweise im Rahmen eines Auswuchtprozesses, wobei bei diesem Auswuchtprozess der Rotor 5 eines hier schematisch im Querschnitt dargestellten Abgasturboladers 24 mittels der Antriebsmaschine 7 umlaufend um die Drehachse 6 angetrieben wird. Der Rotor 5 trägt eine Turbinenrad 11 und ein Verdichterrad 12.
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Die Antriebsmaschine 7 kann beispielsweise als elektrische, hydraulische oder pneumatische Antriebsmaschine ausgeführt sein, ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Die Antriebsmaschine 7 kann einen eigenen Läufer aufweisen, an dem der Rotor 5 angeschlossen ist, oder der Rotor 5 kann zugleich der Läufer der Antriebsmaschine sein.
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Im Einzelnen weist der hier exemplarisch dargestellte Abgasturbolader 24, der stellvertretend für andere Aggregate oder Vorrichtungen steht, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist, eine Wälzlagerung 1 mit zwei Wälzlagern 20 auf, die separate Lagerinnenringe 8 und einen gemeinsamen Lageraußenring 9 umfassen. Die Lagerinnenringe 8 sind auf den Rotor 5 aufgeschoben und dort beispielsweise mittels Muttern 13 axial, das heißt in Richtung der Drehachse 6, verspannt. Die Lagerinnenringe 8 bilden radial äußere Laufbahnen 2 für die Wälzkörper 4 und der Lageraußenring 9 bildet radial innere Laufbahnen 3 für die Wälzkörper 4. Sowohl die Lagerinnenringe 8 als auch der Lageraußenring 9 weisen Schultern 10 auf, gegen welche die Wälzkörper in der Axialrichtung, das heißt in Richtung der Drehachse 6, abgestützt sind. Ferner sind die Lagerinnenringe 8 in der Axialrichtung gegen den Lageraußenring 9 um ein vorgegebenes Ausmaß über die Wälzkörper 4 verspannt. Demnach soll zwischen den Lagerinnenringen 8 und dem Lageraußenring 9 ein vorgegebenes Montagespiel eingestellt werden, das die Reibung zwischen den Wälzkörpern 4 und den Laufbahnen 2, 3 bestimmt. Das Montagespiel ist abhängig vom Ausmaß der Verspannung, beispielsweise dem Anzugsmoment der Muttern 13.
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Der Lageraußenring 9 ist in einem Gehäuse 21 montiert, wobei auch die Montage des Lageraußenrings 9 in das Gehäuse 21 Einfluss auf das Montagespiel zwischen den Lagerkomponenten, insbesondere den Lagerinnenringen 8, den Wälzkörpern 4 und dem Lageraußenring 9, haben kann.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen der radial äußeren Oberfläche des Lageraußenringes 9 und der radial inneren Oberfläche des Gehäuses 21 ein Quetschölfilm eines Öldämpfers vorgesehen, wobei der Quetschölfilm 22 über einen Ölzulauf 23 mit Öl versorgt wird.
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Um nun das tatsächlich eingestellte Montagespiel zwischen den Lagerkomponenten der Wälzlagerung 1 zu bestimmen, wird die Antriebsleistung beim Antreiben des Rotors 5, insbesondere über eine Leistungserfassungseinrichtung 25 zwischen der Antriebsmaschine 7 und dem Rotor 5, bestimmt. Insbesondere wird somit die Antriebsleistung des Rotors 5 durch Erfassen der Leistungsabgabe der Antriebsmaschine 7 bestimmt.
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Alternativ könnte die Leistungserfassungseinrichtung 25 auch in der Antriebsmaschine 7 oder in einer Antriebssteuervorrichtung 14 integriert sein und/oder die Antriebsleistung des Rotors könnte durch Erfassen der Leistungsaufnahme der Antriebsmaschine 7 bestimmt werden.
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Parallel zur Bestimmung der Antriebsleistung des Rotors 5 erfolgt eine Messung (oder allgemein Bestimmung) der Rotordrehzahl. Hierfür ist beispielsweise eine Drehzahlerfassungseinrichtung 26 vorgesehen, die einen Drehzahlsensor 27 aufweist oder mit einem solchen verbunden ist, wobei der Drehzahlsensor 27 beispielsweise beim Umlaufen des Rotors 5 wenigstens eine Referenzmarke 28 auf einem Umfangsabschnitt des Rotors 5 oder eines mit diesem umlaufenden Bauteils erfasst.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Steuervorrichtung 15 vorgesehen, welche mit der Antriebssteuervorrichtung 14, der Leistungserfassungseinrichtung 25 und der Drehzahlerfassungseinrichtung 26 kommuniziert. Die Steuervorrichtung 15, die Antriebssteuervorrichtung 14 und/oder eine oder beide Erfassungseinrichtungen 25, 26 könnten auch integriert ausgeführt sein.
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Eine in die Steuervorrichtung 15 integrierte Recheneinheit 18 vergleicht die bestimmte Antriebsleistung, insbesondere die erfasste Leistungsaufnahme (und/oder Leistungsabgabe) und/oder den Drehzahlverlauf mit wenigstens einem vorgegebenen Grenzwert oder Grenzbereich und bewertet in Abhängigkeit dieses Vergleichs das tatsächlich existierende Montagespiel zwischen den Lagerkomponenten der Wälzlagerung 1. Wenn der Drehzahlverlauf zur mittelbaren Bestimmung der Antriebsleistung herangezogen wird, kann auf die Leistungserfassungseinrichtung 25 verzichtet werden.
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Für den Vergleich greift die Recheneinheit 18 auf einen Speicher 16 der Steuervorrichtung 15 zu, in welchem Datensätze 17 hinterlegt sind, die wenigstens einen vorgegebenen Grenzwert oder Grenzbereich umfassen, der zuvor anhand von wenigstens einer oder mehreren Musterwälzlagerungen für einen entsprechend mit einer Antriebsmaschine 7 angetriebenen Abgasturbolader 24 empirisch bestimmt wurden. Die Datensätze 17 können beispielsweise wenigstens einen Grenzwert oder Grenzbereich für die Antriebsleistung und/oder Drehzahlverläufe aus entsprechenden Drehzahlmessungen beinhalten. Die Datensätze können dabei manuell oder automatisiert erzeugt werden.
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Ergibt der von der Steuervorrichtung 15 beziehungsweise deren Recheneinheit 18 durchgeführte Vergleich, dass die bewerteten Montagespiele der Komponenten der Wälzlagerung 1 innerhalb eines vorgegebenen Bereiches und/oder in geeigneter Korrelation zu einem vorgegebenen Grenzwert liegen, so zeigt die Steuervorrichtung 15 über eine Anzeigevorrichtung 19 dies an. Anderenfalls wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlagerung
- 2
- Laufbahn
- 3
- Laufbahn
- 4
- Wälzkörper
- 5
- Rotor
- 6
- Drehachse
- 7
- Antriebsmaschine
- 8
- Lagerinnenring
- 9
- Lageraußenring
- 10
- Schulter
- 11
- Turbinenrad
- 12
- Verdichterrad
- 13
- Mutter
- 14
- Antriebssteuervorrichtung
- 15
- Steuervorrichtung
- 16
- Speicher
- 17
- Datensatz
- 18
- Recheneinheit
- 19
- Anzeigevorrichtung
- 20
- Wälzlager
- 21
- Gehäuse
- 22
- Quetschölfilm
- 23
- Ölzulauf
- 24
- Abgasturbolader
- 25
- Leistungserfassungseinrichtung
- 26
- Drehzahlerfassungseinrichtung
- 27
- Drehzahlsensor
- 28
- Referenzmarke
