DE10313060A1 - Wälzlager mit integrierter Zustandsmessung - Google Patents

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Abstract

Wälz- oder Gleitlager mit einem Sensor zur Bestimmung des Lagers und einer tribologischen Beschichtung zwischen sich gegeneinander oder aufeinander bewegenden Flächen, bei welchem die tribologische Beschichtung als kraft- und/oder temperatursensitive Messschicht ausgebildet ist. Weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung der Beanspruchung eines Wälz- oder Gleitlagers mit einer tribologischen Beschichtung zwischen sich gegeneinander oder aufeinander bewegenden Flächen, bei welchem die tribologische Beschichtung als Sensor zur Bestimmung der Temperatur und/oder der einwirkenden Kraft verwendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft Wälz- oder Gleitlager mit einem Sensor zur Bestimmung der Beanspruchung des Lagers und einer tribologischen Beschichtung zwischen sich gegeneinander oder aufeinander bewegenden Flächen.
  • Aus der EP 0 022 285 B1 ist eine Kohlenstoff enthaltende Gleitschicht bekannt, welche auf mindestens einer der Gleitflächen festhaftend angebracht ist. Diese Schicht ist 10 Nanometer bis 10 um dick und besteht aus Kohlenstoff mit diamantähnlicher Struktur.
  • Zur Bestimmung der Beanspruchung eines Gleit- oder Wälzlagers sind diskret aufgebaute Sensoren, wie z.B. Dehnungsmesssensoren (DMS) gebräuchlich. Aus der EP 1 148 261 A2 ist weiterhin bekannt, im Wälzlager auftretende Kräfte dadurch zu messen, dass die Verformung der Lagerschalen des Wälzlagers mit einem Oberflächenwellensensor (SAW) gemessen wird. Diese Sensoren werden als separates Bauteil mit dem Lagerring verbunden. All diese Lösungen haben jedoch den erheblichen Nachteil, dass die Messung der Kraft- und/oder Temperatur nur indirekt erfolgt. Die Bestimmung der realen Beanspruchung aus den Messgrößen ist aufwändig und fehlenanfällig, da die Messstelle weit vom Ort der Hauptbelastung entfernt ist.
  • Die oben genannten Nachteile lassen sich durch eine direkt in das Lager integrierte Dünnschichtsensorik verhindern. Die EP 1 058 106 A1 sowie die DE 199 25 460 C2 offenbaren einen Dünnschichtsensor, welcher in Form von geometrischstrukturierten Mehrlagenschichten an der Innenfläche eines Lagers erzeugt wird. Damit können die interessierenden Messgrößen direkt im Laufkontakt des Wälzkörpers gemessen werden. Der Nachteil dieses Sensors liegt vor allem darin, dass die Herstellung aufwändig ist und das zusätzliche Schichten in die kritischen Laufflächen der Lager einbracht werden müssen. Durch diese Zusatzschichten werden die tribologischen Eigenschaften des Lagers verschlechtert. Durch den aufwändigen Mehrlagenaufbau ist die Gefahr des Schichtversagens im Wälzkontakt deutlich erhöht. Diese Nachteile lassen sich durch zusätzlich aufgebrachte Isolationsschichten und tribologische Deckschichten nur in begrenztem Umfang kompensieren. Darüber hinaus wird die Wärmeabfuhr aus der Wälzbahn behindert und somit sind die Eigenschaften des Lagers ungünstig beeinflusst.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, ein Lager mit guten tribologischen Eigenschaften bereit zu stellen, welches eine einfache und verschleißfeste Sensorik mit direkter Messung der einwirkenden Kräfte und Temperaturen in der Wälzbahn aufweist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälz- oder Gleitlager mit einem Sensor zur Bestimmung der Beanspruchung des Lagers und einer tribologischen Beschichtung zwischen sich gegeneinander oder aufeinander bewegenden Flächen, bei welchem die tribologische Beschichtung als kraft- und/oder temperatursensitive Messschicht ausgebildet ist. Weiterhin besteht die Lösung in einem Verfahren, bei welchem die tribologische Beschichtung eines Wälz- oder Gleitlagers als Sensor zur Bestimmung der Temperatur oder der einwirkenden Kraft verwendet wird.
  • Ein Wälz- oder Gleitlager im Sinne dieser Erfindung ist ein Lager für geschmierte oder trockene Verwendung, welches mindestens zwei Lagerschalen aufweist. Fallweise können dazwischen mehrere Wälzkörper angeordnet sein.
  • Die zu bestimmende Beanspruchung des Lagers besteht zum einen in der Messung der Temperatur in der Laufbahn. Weiterhin sollen die auf das Lager einwirkenden Kräfte und die dadurch hervorgerufenen mechanischen Spannungen bestimmt werden.
  • Bei der anzubringenden Beschichtung handelt es sich um eine verschleißfeste sensorische Einzelschicht, welche mit oder ohne zusätzliche Isolationsschichten direkt auf die Wälz- oder Gleitflächen aufgebracht werden kann. Dabei kann die Beschichtung auf den Innenring, dem Außenring oder beidseitig ausgeführt werden.
  • Besonders bevorzugt ist die Beschichtung der Außenseite des Innenrings. Dazu kann eine Vorrichtung nach 1 verwendet werden. Diese besteht aus einer im Vakuum rotierenden Achse (1), welche von einem Drehmotor (8) angetrieben wird. Auf dieser Achse sind die Lager-Innenringe (2) befestigt. Durch eine seitlich angeordnete Beschichtungsquelle (3) erfolgt eine homogene Beschichtung der Wälz- oder Gleitfläche des Innenrings.
  • Die verwendete Schicht ist im Detail in der DE 199 54 164 A1 beschrieben, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird und die zum Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung gemacht wird.
  • Bei der bekannten Schicht handelt es sich um eine Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff. Bevorzugt sind hierbei amorphe Kohlenwasserstoffschichten (a-C:H-Schichten), Wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten (a-C-Schichten), Kohlenwasserstoffschichten mit einem Element X der dritten oder vierten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente (X-C:H-Schichten), oder metallhaltige Kohlenwasserstoffschichten (Me-C:H-Schichten). Weiterhin können die Schichten auch Anteile von Sauerstoff, Stickstoff oder Fluor enthalten.
  • In der DE 102 53 178 wird beschrieben, dass der elektrische Widerstand der vorbezeichneten Schichten in charakteristischer Weise von der Temperatur und der aufgeprägten Kraft abhängt. Somit kann an beschichteten Stellen, auf welche eine bekannte Kraft aufgeprägt wird, die Temperatur bestimmt werden. Andererseits ist es bei bekannter Temperatur der Schicht möglich, die aufgeprägte Kraft zu bestimmen.
  • Auf Grund der bekannt guten Reibeigenschaften und der hohen Härte der dargestellten Schichten eignen sich diese direkt zur Verwendung auf den Wälz- oder Gleitflächen, ohne dass :weitere tribologische Beschichtungen notwendig sind. Die Beschichtung kann sehr dünn ausgeführt werden, mit Schichtdicken zwischen 0,1 μm und 100 μm, bevorzugt 0,5 μm bis 10 μm. Besonders bevorzugt sind Schichtdicken zwischen 1 μm und 5 μm. Dabei versteht es sich von selbst, dass die Schichtdicke an die jeweilige Verwendung des Lagers angepasst werden kann. Da die Beschichtung die Maßhaltigkeit der Lagerkomponenten nicht verändert, kann diese auch auf andere Teile der Lagerkomponenten aufgebracht werden, ohne dass eine Abdeckung oder Maskierung erfolgen muss.
  • Die Haftfähigkeit der Beschichtung lässt sich durch Anbringen einer dünnen Haft- und Gradientenschicht weiter erhöhen.
  • Zu diesem Zweck wird Cr, W oder Ti-Schicht von 1 – 2 μm auf die Bauteiloberfläche aufgesputtert. Danach erfolgt unverzüglich das Wachstum der oben genannten amorphen Kohlenstoffschicht.
  • Eine besonders einfache Auswertung des Widerstandswertes R der Messschicht (4) ergibt sich dadurch, dass der Widerstand zwischen Innen- (2) und Außenring (6) eines Wälzlagers (5) über die Wälzkörper hinweg gemessen wird, vgl. 2. Dazu muss lediglich ein Lagerring durch eine Isolation von der elektrischen Masse der Maschinenkomponente getrennt werden. Diese Isolation kann besonders einfach durch eine elektrisch isolierende Beschichtung erreicht werden. Dazu eignen sich Schichten aus Al2O3, AlN, SiOx, SiO2, Sicon oder BN. Die Schichtdicke beträgt hierbei bevorzugt 2 – 8 μm. Alternativ können zur Isolierung auch bekannte Lacke oder andere Polymere wie zum Beispiel plasmadeponierte Polymerschichten eingesetzt werden.
  • Eine bevorzugte Messanordnung zur Bestimmung des Widerstandes zwischen Innen- (2) und Außenring (6) besteht darin, dass der statische Teil des Lagers einen von der Masse elektrisch isolierten Kontakt aufweist und der rotierende Teil des Lagers auf Masse liegt. Somit kann mit nur mit einer isolierten Leitung der Innen- und Außenring des Lagers mit einer Vorrichtung zur Messung des elektrischen Widerstandes verbunden werden.
  • Besonders bevorzugt ist die Beschichtung des Außenrings (6) mit einer Isolationsschicht. Dazu kann wiederum die 1 gezeigte Vorrichtung verwendet werden. Lediglich die Beschichtungsquelle (3) muss dazu angepasst werden.
  • Wenn eine potentialfreie Messung des elektrischen Widerstandes der kraftsensorischen Schicht benötigt wird, kann eine Telemetrieeinrichtung zur kontaktfreien Übertragung der Signale und der Versorgungsspannung verwendet werden. Eine Telemetrieeinrichtung im Sinne dieser Erfindung ist dabei jede Form drahtloser Übertragung, wobei die Übertragung der Versorgungsspannung und der Signale auch mit unterschiedlichen Verfahren, z.B. kapazitiv für die Signale und induktiv für die Versorgungsspannung, erfolgen kann. Zur Übertragung der Nutzsignale kann auch eine Transpondertechnik vorgesehen werden. Dabei erfolgt die Datenübertragung über einen Schwingkreis, wobei die kraftsensorische Schicht als Widerstand Bestandteil dieses Schwingkreises ist.
  • 4 zeigt den Widerstand R einer kraftsensorischen Beschichtung, wie er mit einer Messanordnung gemäß 2 bestimmt wurde. Auf der y-Achse ist der Widerstand R aufgetragen, auf der x-Achse die Zeit von 0 bis 10 Minuten. Die Drehfrequenz des Lagers beträgt bei allen Messreihen 1,25 Hz.
  • Bei den größten dargestellten Widerstandswerten wurde das Lager mit 0.5 N belastet. Eine Verdoppelung der Last auf 1.0 N bewirkt eine Verringerung des mittleren Widerstands der kraftsensorischen Beschichtung um 50 MΩ. Eine weitere Verdoppelung des aufgeprägten Kraft auf 2.0 N bewirkt eine nochmalige Verringerung des mittleren Widerstands um 50 MΩ. Wie aus 4 ersichtlich, bleiben die gemessenen Widerstandswerte über die Zeit konstant. Die Wiederholung der Messreihen (i, ii, iii) zeigt die Hysteresefreiheit der Widerstandswerte.
  • 5 zeigt wiederum den Widerstand R einer kraftsensorischen Beschichtung in einem erfindungsgemäßen Wälzlager. Auf der X-Achse ist wiederum die Zeit von 0 bis 10 Minuten aufgetragen.
  • In 5 ist eine Messung bei konstanter Kraft von 100 N und zwei verschiedenen Drehzahlen von 500 1/min und 1000 1/min. dargestellt. Deutlich ersichtlich ist bei höherer Drehzahl der Widerstandswert der Messschicht um etwa 100 kΩ niedriger.
  • Wie oben bereits ausgeführt wurde, hängt der Widerstand der kraftsensorischen Schicht sowohl von der Temperatur als auch von der eingeleiteten Kraft ab. Demnach muss immer eine von beiden Größen bekannt sein, um die Andere zu bestimmen. Daher wird in einer Weiterentwicklung der Erfindung eine Dünnschichtelektrode (7) vorgesehen, welche innerhalb der Beschichtung bis an die Laufbahn der Wälzkörper herangeführt wird, diese aber nicht berührt. Dadurch bleibt der Verschleißschutz dieser Dünnschichtelektrode gewahrt. Durch die lokale Widerstandsmessung an einer bestimmten Stelle des Lagers kann somit die Temperatur des Lagers unabhängig von der eingeleiteten Kraft bestimmt werden, vgl. 3.
  • Eine nochmals höhere Messgenauigkeit ergibt sich, wenn mehrere Dünnschichtelektroden (7,7') in unterschiedlicher Lage zur Laufbahn angeordnet werden. 3 zeigt solche lokal aufgebrachten Dünnschichtelektroden. Die Auslese mehrer lokaler Widerstandswerte kann, unterstützt durch finite Elementrechnungen (FEM) zur Bestimmung der Temperaturverteilung verwandt werden.
  • Besonders einfach kann eine Entfaltung der Messwerte für Temperatur und Kraft erreicht werden, wenn Temperatur und Kraft nicht zeitgleich gemessen werden. Zur Temperaturmessung bietet sich insbesondere der Zeitpunkt an, in dem das Lager von einer bekannten Kraftkomponente entlastet ist. Dies ist beispielsweise bei Spindellagern in Werkzeugmaschinen der Fall. Wird z.B. bei der Zerspanung das Werkzeug vom Werkstück entfernt, so ist das Lager in diesem Moment von den Schnittkräften befreit und eine ungestörte Temperaturmessung möglich. Wird die Zerspanung im unterbrochenen Schnitt ausgeführt, tritt diese Entlastung zyklisch auf. Somit kann auch die Temperatur zyklisch gemessen werden.
  • Die erfindungsgemäße Lehre umfasst weiterhin die Verwendung eines beschriebenen Wälz- oder Gleitlagers, wobei die Temperatur- und Kraftsignale zur Steuerung einer Maschine verwendet werden.
  • Dies können die bereits beschriebenen Werkzeugmaschinen sein, bei welchen das erfindungsgemäße Lager die Bestimmung der Schnittkräfte erlaubt. Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung des Erfindungsgemäßen Lagers in Kraftfahrzeugen, wo die Messung der auftretenden Kräfte in den Radlagerungen die Bestimmung des Fahrzustands ermöglicht.
  • In einer weiteren Verwendung können die Signale der Sensorschicht dazu verwendet werden, die Schmierung des Lagers zu optimieren. Hierbei wird ein unerwünschter Trockenlauf durch einen starken Anstieg der Temperatur an der Laufbahn und der auftretenden Kräfte angezeigt. Dieser Betriebszustand kann nun als Warnung an den Benutzer ausgegeben werden, so dass dieser erforderliche Maßnahmen einleiten kann. Alternativ kann über ein Magnetventil automatisch Schmierstoff in den Lagerspalten zugeführt werden.
  • Auch ein veschlissenes Lager wird durch einen Anstieg der auftretenden Kräfte und der Temperatur bemerkt. Bei weiterer Schmierstoffzugabe wird jedoch lediglich die Temperatur gesenkt. Die durch die abweichende Geometrie des Lagers verursachte Krafterhöhung bleibt bestehen. Somit kann eine Warnung an den Benutzer ausgegeben oder die Maschine in einen sicheren Betriebszustand gebracht werden.
  • Anwendungsbeispiele für eine solche Überwachung einer Lagerung sind z.B. Windkraftanlagen. Die Wellenlager dieser Maschinen sind stark beansprucht. Die große Höhe des Turmes und der oft entlegene Aufstellungsort dieser Anlagen, z.B. im offenen Meer vor der Küste, machen die Fernüberwachung der Lagerungen notwendig, um Schäden frühzeitig zu erkennen und Folgeschäden und Betriebsausfälle zu verhindern.
    •

Claims (19)

  1. Wälz- oder Gleitlager mit einem Sensor zur Bestimmung der Beanspruchung des Lagers und einer tribologischen Beschichtung zwischen sich gegeneinander oder aufeinander bewegenden Flächen, dadurch gekennzeichnet, dass die tribologische Beschichtung als kraft- und/oder temperatursensitive Messschicht ausgebildet ist.
  2. Wälz- oder Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die tribologische Beschichtung aus einer Haft- und Gradientenschicht und einer homogenen Funktionsschicht aufgebaut ist.
  3. Wälz- oder Gleitlager nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die tribologische Beschichtung eine amorphe Kohlenstoffschicht ist.
  4. Wälz- oder Gleitlager nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffschicht eine Dicke von 0,1 bis 100 μm aufweist.
  5. Wälz- oder Gleitlager nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffschicht eine Dicke von 0,5 bis 10 μm aufweist.
  6. Wälz- oder Gleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffschicht eine Dicke von 1 bis 5 μm aufweist.
  7. Wälz- oder Gleitlager nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Teilen des Lagers eine zusätzliche, elektrisch isolierende Beschichtung vorgesehen ist.
  8. Wälz- oder Gleitlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Beschichtung an der Außenseite des Außenrings angebracht wird.
  9. Wälz- oder Gleitlager nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht aus Al2O3, AlN, SIOx, BN aufgebaut ist.
  10. Wälz- oder Gleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dünnschichtelektrode bis an die Laufbahn der Wälzkörper herangeführt wird, diese aber nicht berührt.
  11. Wälz- oder Gleitlager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dünnschichtelektroden in unterschiedlicher Lage zur Laufbahn angeordnet werden.
  12. Wälz- oder Gleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand zwischen Innen- und Außenring des Lagers messbar ist.
  13. Wälz- oder Gleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der statische Teil des Lagers einen von der Masse elektrisch isolierten Kontakt aufweist und der rotierende Teil auf Masse liegt.
  14. Wälz- oder Gleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Telemetrieeinrichtung zur kontaktfreien Übertragung der Signale und der Versorgungsspannung vorgesehen ist.
  15. Verfahren zur Bestimmung der Beanspruchung eines Wälz- oder Gleitlagers mit einer tribologischen Beschichtung zwischen sich gegeneinander oder aufeinander bewegenden Flächen, dadurch gekennzeichnet, dass die tribologische Beschichtung als Sensor zur Bestimmung der Temperatur und/oder der einwirkenden Kraft verwendet wird.
  16. Verfahren zur Bestimmung der Beanspruchung eines Wälz- oder Gleitlagers nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Temperatur und Kraft nicht zeitgleich gemessen werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung erfolgt, wenn das Lager von einer vorgebbaren Kraftkomponente entlastet ist.
  18. Verwendung eines Wälz- oder Gleitlagers nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur- und/oder Kraftsignale zur Steuerung einer Maschine verwendet werden.
  19. Verwendung eines Wälz- oder Gleitlagers nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von den Temperatur- und/oder Kraftsignalen die Lager geschmiert werden.
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