DE10314295B4

DE10314295B4 - Verfahren zur Bestimmung von Lagerschlupf in einem Messwälzlager mit SAW- oder BAW-Sensoren

Info

Publication number: DE10314295B4
Application number: DE10314295A
Authority: DE
Inventors: Stefan Glück
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2003-03-29
Filing date: 2003-03-29
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2023-03-30
Also published as: DE10314295A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung von Schlupf zwischen einem drehenden Wälzlagerinnen- oder Wälzlageraußenring und den zwischen diesen Lagerringen angeordneten Wälzkörpern, bei dem für ein Zeitintervall die Drehzahlen dieser Lagerbauteile um das Lagerdrehzentrum bestimmt und miteinander verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Messsignal eines SAW- oder BAW-Sensors (2) für ein Zeitintervall die Überrollfrequenz ermittelt wird, mit der die Wälzkörper den Befestigungsort des SAW- oder BAW-Sensors (2) überrollen, dass aus dem Messsignal für das gleiche Zeitintervall die Drehwinkelpositionsänderung einer auf dem drehenden Lagerring (1) befestigten Sendeantenne (3) des SAW- oder BAW-Sensors (2) ermittelt wird, dass aus der Überrollfrequenz die Drehzahl der Wälzkörper oder des Wälzkörperkäfigs um das Drehzentrum des Wälzlagers berechnet wird, dass aus der Drehwinkelpositionsänderung der Sendeantenne (3) die Drehzahl des rotierenden Lagerrings (1) ermittelt wird, und dass bei einem Vergleich dieser beiden Drehzahlwerte eine ein vorbestimmtes Maß über- oder unterschreitende Drehzahlabweichung das Vorliegen von Schlupf zwischen...

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Schlupf zwischen einem drehenden Wälzlagerinnen- oder Wälzlageraußenring und den zwischen diesen Lagerringen angeordneten Wälzkörpern, bei dem für ein Zeitintervall die Drehzahlen dieser Lagerbauteile um das Lagerdrehzentrum bestimmt und miteinander verglichen werden.
Hintergrund der Erfindung
Aus der DE 100 17 572 A1 ist ein Wälzlager mit elektroakustischen SAW- oder BAW-Sensoren bekannt, mit deren Hilfe ein Messsignal erzeugbar ist, aus dem verschiedene Lagermessgrößen ermittelt werden können. Dieses Messsignal wird von einer an dem rotierenden Lagerbauteil befestigten Sendeantenne zu einer außerhalb des rotierenden Systems befindlichen Empfangsantenne übertragen und von dort zu einer Auswerteeinrichtung weitergeleitet.
Die SAW- bzw. BAW-Sensoren verfügen über Bereiche mit piezoelektrischen Eigenschaften, mit denen akustische Oberflächen- bzw. Volumenwellen erzeugbar sind, die sich in dem Sensorsubstrat oder an dessen Oberfläche lateral von der Anregungsquelle fortbewegen. Über der Längserstreckung der SAW- bzw. BAW-Sensoren sind zudem Reflektoren ausgebildet, an denen die genannten Wellen reflektiert und zum piezoelektrischen Bereich zurückgelenkt werden. In diesem Betriebszustand arbeiten die piezoelektrischen Bereiche als piezoelektrische Messfühler, die die reflektierten Wellen in ein elektrisches Signal umwandeln.
Sobald ein mit einem SAW- bzw. BAW-Sensor ausgestattetes Lagerbauteil Kräften und/oder Temperaturveränderungen ausgesetzt ist, entstehen in diesem mechanische Spannungen, die sich auch auf den SAW- bzw. BAW-Sensor auswirken. Ein solcher SAW- bzw. BAW-Sensor erfährt dann ebenfalls eine Veränderung seiner Abmessungen, welche sich letztlich in Laufzeitunterschieden der an den Sensorreflektoren reflektierten Wellen bemerkbar machen. Diese Laufzeitunterschiede sind dabei Idealerweise abhängig von den auf das Lager wirkenden physikalischen Größen.
Mit einer solchen bekannten Mess- und Auswerteeinrichtung lassen sich neben der Lagertemperatur, der Drehzahl und der Drehrichtung des Lagers auch die auf das Lager wirkenden Kräfte und Momente, sowie die translatorischen und rotatorischen Schwingungen bzw. Schwingungsbeschleunigungen von Lagerbauteilen ermitteln.
Für den zuverlassigen und schadlosen Betrieb eines Wälzlagers ist es zudem von Interesse, einen im Lager gegebenenfalls auftretenden Schlupf zwischen dem drehbaren Lagerring und den Wälzkörpern bzw. einem Wälzkörperkäfig zu kennen. Beim Auftreten von Lagerschlupf rollen die Wälzkörper nicht wie gewünscht auf den Wälzkörperlaufbahnen des feststehenden und des sich drehenden Lagerringes ab, so dass die Drehzahl eines Wälzkörperkäfigs beziehungsweise die Drehzahl der Wälzkörper um das Drehzentrum des Lagers nicht in demjenigen Maß von der Drehzahl des sich drehenden Lagerringes abweicht, wie dies durch die geometrischen Verhältnisse zwischen den Lagerringen und den Wälzkörpern vorbestimmt ist.
So ist ein erster Extremfall denkbar, bei dem die Wälzkörperkäfigdrehzahl beziehungsweise die oben definierte Wälzkörperdrehzahl identisch mit der Drehzahl des sich drehenden Lagerringes ist, so dass die Wälzkörper über die Wälzkörperlaufbahn des feststehenden Lagerringes gleiten. In einem zweiten Extremfall würden die Wälzkörperkäfig- beziehungsweise Wälzkörperdrehzahl identisch mit der Drehzahl des stehenden Lagerringes sein (also Null betragen), wobei die Wälzkörper über die Wälzkörperlaufbahn des sich drehenden Lagerringes gleiten.
Eine bekannte Methode zur Ermittlung dieses Schlupfes besteht in einem Vergleich der Messsignale von zwei Drehzahlgebern, die die Drehzahl eines drehenden Lagerinnenringes und eines Wälzkörperkäfigs erfassen. Sofern diese Drehzahlwerte nicht das erwartete Drehzahlverhältnis zueinander aufweisen, kann davon ausgegangen werden, dass ein Schlupf zwischen den genannten beiden Lagerbauteilen vorliegt.
Darüber hinaus ist es bekannt, zur Schlupfbestimmung mit einem ersten Sensor die zeitliche Drehwinkeländerung des drehbar gelagerten Lagerinnenringes zu messen und mit derjenigen Frequenz zu vergleichen, mit der der Befestigungsort eines zweiten Sensors (beispielsweise eines Dehnungsmessstreifensensors) am Lageraußenring oder am Innenring von den Wälzkörpern des Lagers überrollt wird.
Aufgabe
Vor diesem Hintergrund soll durch die Erfindung aufgabengemäß ein Verfahren geschaffen werden, mit dem aus dem Messsignal nur eines Sensors ein in einem Wälzlager auftretender Schlupf ermittelbar ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in den beiden Unteransprüchen genannt sind.
Demnach ist bei dem Verfahren zur Bestimmung von Schlupf zwischen einem drehenden Innen- oder Außenring eines Wälzlagers einerseits und einem Wälzkörperkäfig beziehungsweise den Wälzkörpern andererseits vorgesehen, dass für ein Zeitintervall die auf das Drehzentrum des Lagers bezogenen Drehzahlen dieser Lagerbauteile bestimmt und auf das Überschreiten eines vorgegebenen Drehzahlunterschiedes überprüft werden.
Bei einem mit einem SAW- bzw. BAW-Sensor ausgestatteten Messwälzlager lässt sich Lagerschlupf nun dadurch besonders vorteilhaft bestimmen, dass für ein Zeitintervall aus dem Messsignal des SAW- bzw. BAW-Sensors die Überrollfrequenz bestimmt wird, mit der der Befestigungsort des SAW- bzw. BAW-Sensor von den Wälzkörpern überrollt wird. Außerdem wird für dieses Zeitintervall die Drehwinkelpositionsänderung der Sendeantenne des SAW- bzw. BAW-Senders ermittelt.
Anschließend wird aus der Überrollfrequenz die Drehzahl des Kugelkäfigs beziehungsweise die Drehzahl der Wälzkörper um das Drehzentrum des Lagers berechnet, während aus der Antennenpositionsänderung die Drehzahl des drehbar gelagerten Innen- bzw. Außenrings bestimmt wird. Wenn bei einem anschließenden Vergleich der beiden Drehzahlen diese um eine Drehzahldifferenz voneinander abweichen, die ein vorbestimmtes Maß überschreitet, wird dies als das Vorliegen von Schlupf zwischen dem sich drehenden Lagerring einerseits und dem Wälzkörperkäfig bzw. den Wälzkörpern andererseits gewertet. Da die Wälzkörper in dem Wälzkörperkäfig derart aufgenommen sind, dass diese ihren Abstand zu den anderen Wälzkörpern nicht verändern können, ist die Wälzkörperkäfigdrehzahl identisch mit der Drehzahl, mit der sich jeder Wälzkörper um das Drehzentrum des Wälzlagers bewegt.
Der zulässige und das Nichtvorliegen von Lagerschlupf kennzeichnende Drehzahlunterschied zwischen der Drehzahl des drehenden Lagerrings und der Drehzahl der Wälzkörper beziehungsweise des Wälzkörperkäfigs um das Drehzentrum des Wälzlagers wird durch den Außendurchmesser des Lagerinnenrings, durch den Innendurchmesser des Lageraußenrings sowie durch den Durchmesser der Wälzkörper bestimmt.
Die Messung des Schlupfes erfolgt dabei vorzugsweise periodisch in vorgegebenen Zeitintervallen, die beispielsweise Betriebsminutenzeitintervalle sein können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung lässt sich anhand eines Ausführungsbeispiels erläutern, das in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist. Darin zeigen
1 eine perspektivische Darstellung des Innenringes eines Wälzlagers mit einer axial davor angeordneten Empfangsantenne,
2 ein Phasenverlaufdiagram einer sich drehenden Innenring Sendeantenne über eine vollständige Lagerumdrehung, und
3 den zeitlichen Verlauf eines von dem SAW-Sensor gewonnenen Messsignals.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist demnach einen Wälzlagerinnenring 1 in einer perspektivischen Seitenansicht dargestellt, der in ein hier nicht dargestelltes Wälzlagergehäuse einbaubar ist. Der Innenring 1 verfügt über eine Laufbahn 6 für die Wälzkörper des Wälzlagers, dessen weitere Bestandteile hier nicht gezeigt aber dem Fachmann an sich bekannt sind. An der radial nach innen weisenden Seite der Wälzkörperlaufbahn 6 ist ein SAW-Sensor 2 befestigt, der wie eingangs beschrieben elektroakustische Eigenschaften aufweist. Von diesem SAW-Sensor 2 führt wenigstens eine elektrische Leitung zu einer Sendeantenne 3, die ringförmig ausgebildet und in diesem Beispiel auf einem am Lagerinnenring 1 sich radial nach außen erstreckenden Kragen 7 befestigt ist.
Von der genannten Sendeantenne 3 am Lagerinnenring 1 werden die von dem SAW-Sensor 2 gewonnenen Messsignale über eine Funkstrecke vorzugsweise kapazitiv zu einer ringförmigen Halb- oder Viertelkreisempfangsantenne 4 übertragen, die an dem hier nicht dargestellten Lageraußenring bzw. an dem Lagergehäuse befestigt ist.
Wie der durch den Stand der Technik vorgebildete Fachmann leicht erkennt, führt ein Überrollen des Befestigungsortes des SAW-Sensors 2 durch die Wälzkörper des Wälzlagers zu Spannungen und Dehnungen in dem Lagerinnenring 1, die mit der genannten Überrollfrequenz oszillieren. Diese Spannungen bzw. Dehnungen werden von dem SAW-Sensor 2 erfasst und über die genannte Funkstrecke an die Empfangsantenne 4 und von dort über eine Signalleitung 5 an eine außerhalb des Messlagers befindliche Auswerteeinrichtung übermittelt.
Die Sende- und die Empfangsantennen 3, 4 sind vorzugsweise als Ring-Streifenantennen ausgebildet und derartig ausgelegt, dass sich auf ihnen stehende elektromagnetische Wellen mit einer ganzzahligen Anzahl P von Schwingungsperioden ausbilden. Dies führt zum einen dazu, dass eine lückenlose, von der Winkelposition des Lagers unabhängige Signalkopplung zwischen der Sende- und der Empfangsantenne 3, 4 entsteht, zum anderen jedoch auch dazu, dass den Phasen-Messwerten der einzelnen Reflektoren des SAW-Sensors 2 ein zusätzlicher, winkelabhängiger Phasenversatz aufgeprägt ist. Durch das Zusammenspiel der beiden Antennen 3, 4, die auf P Schwingungsperioden ausgelegt sind, kommt es während einer Drehung des Lagerinnenringes um 360° zu einer zusätzlichen Phasenverschiebung um 2P·2π. Dieser Effekt stört Dehnungs- und Temperaturmessung im Lager nicht, da hierfür die Phasendifferenzen betrachtet werden und damit der Drehungseinfluss herausfällt.
Andererseits kann der geschilderte Effekt zur Bestimmung der Drehzahl des sich drehenden Lagerringes 1 genutzt werden, indem die Absolutphase eines Reflektors eines SAW-Sensors 2 mitverfolgt und über den Faktor 2P in die Position des Innenringes umgerechnet wird.
Demnach kann aus dem nur einen Signal des SAW-Sensors 2 die Überrollfrequenz am SAW-Sensor 2 und die Drehwinkelpositionsveränderung der Sendeantenne 3 gewonnen werden, welche Aussagen über die Innenringdrehzahl und die Drehzahl des Wälzkörperkäfigs beziehungsweise der Wälzkörper um das Lagerdrehzentrum ermöglichen. Die so ermittelbaren Drehzahlwerte können sodann miteinander verglichen und auf das Vorliegen von Schlupf zwischen diesen beiden Lagerbauteilen bzw. zwischen dem sich drehenden Lagerring und den Wälzkörpern überprüft werden. Wenn sich bei einem Vergleich dieser beiden Drehzahlen ein Über- oder Unterschreiten einer vorbestimmten Drehzahldifferenz ergibt, wird dies als das Vorliegen von nachteiligem Lagerschlupf gewertet.
Zur Verdeutlichung der Zusammenhänge zeigt 3 den Verlauf des von der Empfangsantenne 4 empfangenen Messsignals des SAW-Sensors 2. Dieses Messsignal besteht zunächst aus einer mit einer durchgezogenen Linie dargestellten kurzperiodischen Schwingung, die den Verlauf des Dehnungssignals D_S des SAW-Sensors 2 über die Zeit angibt. Dessen vergleichsweise kurze Periodendauer F_Ü kennzeichnet die Überrollfrequenz der Wälzkörper über den Messort des SAW-Sensors 2. Diese Überrollfrequenz F_Ü ist damit proportional zu der Drehzahl, mit der sich der zwischen dem Lagerinnenring 1 und dem Lageraußenring eingeschlossene Wälzkörperkäfig und damit die Gesamtheit aller Wälzkörper um die Lagerdrehachse dreht.
3 zeigt darüber hinaus, dass die maximalen positiven Amplituden D_max des Dehnungssignals D_S einer langperiodischen Schwingung folgen, die ihre Ursache in der Anordnung des Sensors im Innenring hat. Dadurch läuft bei einem radial belasteten Lager der Sensor einmal pro Umdrehung durch die Lastzone und detektiert so die maximale Radiallast für die Wälzkörper in der Lastzone. Alle nicht in der Lastzone befindliche Wälzkörper sind weniger stark belastet, weswegen die vom Sensor ermittelte Kraft variiert. Eine vollständige Periode der mit einer gestrichelten Linie dargestellten Schwingung (Hüllkurve H) dieser Amplitudenschwankungen entspricht dabei ebenfalls der Drehzahl N_IR des Lagerinnenringes 1 und stellt so eine zusätzlich nutzbare, redundante Information – zusätzlich zur Innenring-Drehzahl aus dem Antennenversatz – dar. Diese Darstellung verdeutlicht im besonderen Maße, dass das von der Empfangsantenne 4 empfangene Signal des SAW-Sensors 2 alle Informationen enthält, um durch den geschilderten Drehzahlvergleich einen Schlupf in dem Lager feststellen zu können, ohne dass es dazu kostenerhöhend weiterer Sensoren bedarf.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist selbstverständlich auch bei solchen Lagern anwendbar, bei denen der Lagerinnenring auf einer feststehenden Achse ruht und der Lageraußenring ein Bauteil drehbar lagert. In diesem Fall ist der SAW- oder BAW-Sensor an dem Lageraußenring angeordnet.
Insgesamt wird deutlich, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren mit der gleichen Sensoranordnung unabhängig voneinander die Drehzahl des drehbar gelagerten Lagerringes sowie die zur Schlupffeststellung notwendigen Drehzahlen des Wälzkörperkäfigs bzw. der Wälzkörper ermittelbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Innenring
2: SAW-Sensor
3: Sendeantenne
4: Empfangsantenne
5: Sensorleitung
6: Wälzkörperlaufbahn
7: Kragen am Innenring
D: Dehnung
D_S: Dehnungssignal
D_max: maximal positive Amplituden
H: Hüllkurve
N_IR: Drehzahl des Innenringes
F: Überrollfrequenz
t: Zeit

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Schlupf zwischen einem drehenden Wälzlagerinnen- oder Wälzlageraußenring und den zwischen diesen Lagerringen angeordneten Wälzkörpern, bei dem für ein Zeitintervall die Drehzahlen dieser Lagerbauteile um das Lagerdrehzentrum bestimmt und miteinander verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Messsignal eines SAW- oder BAW-Sensors (2) für ein Zeitintervall die Überrollfrequenz ermittelt wird, mit der die Wälzkörper den Befestigungsort des SAW- oder BAW-Sensors (2) überrollen, dass aus dem Messsignal für das gleiche Zeitintervall die Drehwinkelpositionsänderung einer auf dem drehenden Lagerring (1) befestigten Sendeantenne (3) des SAW- oder BAW-Sensors (2) ermittelt wird, dass aus der Überrollfrequenz die Drehzahl der Wälzkörper oder des Wälzkörperkäfigs um das Drehzentrum des Wälzlagers berechnet wird, dass aus der Drehwinkelpositionsänderung der Sendeantenne (3) die Drehzahl des rotierenden Lagerrings (1) ermittelt wird, und dass bei einem Vergleich dieser beiden Drehzahlwerte eine ein vorbestimmtes Maß über- oder unterschreitende Drehzahlabweichung das Vorliegen von Schlupf zwischen diesen Lagerbauteilen kennzeichnet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Maß der Drehzahlabweichung zwischen der Drehzahl des drehenden Lagerrings und der Drehzahl der Wälzkörper oder des Wälzkörperkäfigs um das Drehzentrum des Wälzlagers durch den Außendurchmesser des Lagerinnenringes (1), durch den Innendurchmesser des Lageraußenrings sowie durch den Durchmesser der Wälzkörper vorgegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Schlupfes periodisch erfolgt.