DE112013006872T5 - Nabeneinheit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nabeneinheit, die eine Endkappe (10) zum Vorspannen und Sichern einer Lagereinheit (11) oder einer Achse (13) umfasst. Es wird vorgeschlagen, dass die Endkappe (10) mit einer Sensoreinheit (20) zum Detektieren von zumindest Vibrationen und/oder Temperatur der Lagereinheit (11) bereitgestellt ist.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Nabeneinheit, die eine Endkappe zum Vorspannen und Sichern einer Lagereinheit auf einer Achse umfasst. Nabeneinheiten dieser Art werden insbesondere für Naben von Eisenbahnzügen verwendet, die insbesondere zweireihige Kegelrollenlager umfassen, die für schwere Lasten geeignet sind.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Nabeneinheiten für Lager mit kegeligen Laufbahnen für Rollen, die für schwere Lasten geeignet sind, sind mit einem oder zwei Innenringen, die auf einer Achse aufgezogen sind, und Außenringen, die in der Nabe des Rades montiert sind, bereitgestellt. Die Innenringe müssen gesichert und vorgespannt werden, um die Axialkräfte, die aus den Neigungen der Laufbahnen resultieren, abzustützen.
  • Es ist bekannt, dass Sicherungsendkappen am Ende der Achse bereitgestellt werden, worin die Sicherungsendkappen durch drei oder vier Schrauben zum Vorspannen und Sichern der Lagereinheit auf der Achse befestigt sind.
  • Sicherungsendkappen bei Nabeneinheiten dieser Art müssen als Federn agieren und daher eine vorbestimmte Flexibilität in der Axialrichtung erlauben. Die Stärke und Materialeigenschaften, insbesondere die elastischen Eigenschaften des Rings, sind daher für das Produkt als Gesamtes hoch relevant und werden im Voraus unter Verwendung von Algorithmen der Finite-Elemente-Analyse ausführlich studiert. Dieses Problem hat zu dem technischen Vorurteil geführt, dass die Endkappe aus einem einzelnen Körper, der aus starkem und flexiblem Stahl gemacht ist, gebildet sein sollte und dass Vorsprünge und Vertiefungen soweit wie möglich vermieden werden sollten.
  • Ferner ist bekannt, Lager, anders als die obigen Kegelrollenlager, mit Sensoreinheiten,
  • die mit dem Außen- oder Innenring verbunden sind, bereitgestellt werden. Typische Sensoreinheiten werden als Temperatursensoren, Rotationssensor oder Vibrationssensoren, die zum Detektieren eines Betriebszustands des Lagers geeignet sind, gebildet, was helfen kann, Probleme oder eine Abnutzung in einer sehr frühen Stufe zu detektieren.
  • Bisher wurden Sensoreinheiten wie oben beschrieben nicht in Eisenbahnnaben verwendet, da es als unmöglich angesehen wurde, den Sensor in einer solchen Art zu integrieren, dass die daraus resultierende Anordnung ausreichend robust für das Betreiben unter rauen Bedingungen, z.B. unter Frachtzügen, ist.
  • Eine weitere Schwierigkeit ist die Bereitstellung einer ausreichend robusten Stromversorgung für die Sensoreinheit und eine verlässliche Möglichkeit, die Daten auszulesen.
  • Zusammenfassung der Erfindung Es ist das Ziel der Erfindung, die obigen Probleme des Stands der Technik durch Bereitstellen einer Nabeneinheit, die eine Endkappe mit einer Sensoreinheit umfasst, um Betriebsparameter der Lagereinheit zu detektieren, zu lösen.
  • Die Erfindung beginnt bei einer Nabeneinheit, die eine Endkappe zum Vorspannen und Sichern einer Lagereinheit auf einer Achse umfasst. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Zugnaben für eine beliebige Art von Eisenbahnzügen, insbesondere für Frachtzüge. Der typische Durchmesser der für die Erfindung benötigten Endkappe ist 180–200 mm, worin die letzteren Werte Mindestgrößen sind. Die Erfindung ist sowohl auf G-Klassen-Naben als auch auf K-Klassen-Naben anwendbar. Typische Vorspannkräfte bei einer K-Klasse sind 445000N.
  • Es wird vorgeschlagen, dass die Endkappe mit einer Sensoreinheit zum Detektieren von zumindest Vibrationen und/oder Temperatur der Lagereinheit bereitgestellt ist. Dadurch, dass die Sensoreinheit auf oder in der Endkappe und nicht an dem Außen- oder Innenring des Lagers bereitgestellt ist, ist es möglich, eine Anordnung zu schaffen, die ausreichend robust ist, um die Anforderungen des technischen Bereichs in Hinblick auf Temperaturbeständigkeit, Robustheit, chemischer Resistenz, etc. zu erfüllen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensoreinheit mit einer drahtlosen Übertragungseinheit zum Senden der von den Sensoren erfassten Daten an eine Fernempfängereinheit, die insbesondere in dem Zug angebracht sein kann und mit einer Steuerung des Zuges verbunden sein kann, bereitgestellt. Die Steuerung kann konfiguriert sein, um die von der Sensoreinheit empfangenen Daten zu evaluieren und ein Warnsignal zu erzeugen, wenn z.B. eine hohe Temperatur oder starke Vibrationen anzeigen, dass das Ende der Lebensdauer des Lagers bevorsteht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Endkappe mit einer Tasche bereitgestellt, die die Sensoreinheit aufnimmt, worin die Tasche durch zumindest eine Abdeckplatte abgedeckt ist.
  • Die Sensoreinheit kann dadurch, dass sie sicher innerhalb der Tasche aufgenommen ist, von schädigenden Einflüssen von außen wie Schotter, Öl, Salz, usw. geschützt werden.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Tasche als eine ringförmige Aussparung, die in Bezug auf eine Rotationsachse der Lagereinheit konzentrisch angeordnet ist, gebildet ist, was einer Symmetrieachse der Endkappe oder eines zentralen Loches davon entspricht.
  • In diesem Fall ist die Abdeckplatte bevorzugt mit einem Durchgangsloch bereitgestellt, worin zumindest ein Antennenabschnitt der Übertragungseinheit durch das Durchgangsloch über die äußere Oberfläche der Abdeckplatte hervorsteht. Als Konsequenz kann die Abdeckplatte aus robustem Metall, insbesondere aus eloxiertem Kohlenstoffstahl, hergestellt sein, während die Abdeckplatte gleichzeitig die Funkübertragungssignale zu und von dem Antennenabschnitt der Übertragungseinheit nicht abschirmt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Sensoreinheit mit einem bogenförmigen abgedichteten Gehäuse und mit einer Leiterplatte, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, bereitgestellt. Die Bogenform ist besonders geeignet, um in der Endkappe in der Nähe eines äußeren Umfangs davon eingepasst zu werden, sodass die Größe des Nabengehäuses beibehalten werden kann, während gleichzeitig eine ausreichende Stärke der Nabe sichergestellt wird.
  • Um ein Einpassen der Leiterplatte in das bogenförmige Gehäuse zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Leiterplatte mehrere Teile umfasst, wobei die Teile durch flexible Elemente schwenkbar miteinander verbunden sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Verdrahtungsseite von zumindest einem der mehreren Teile in einer Richtung, die der Richtung, in der zumindest einer der benachbarten Teile der Leiterplatte ausgerichtet ist, entgegengesetzt ist, ausgerichtet. Die flexiblen Elemente können verwendet werden, um die Verdrahtungsseiten der Leiterplatten zu wechseln. Das hilft dabei, die Anordnung in das gekrümmte Innere des Gehäuses einzupassen.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann die Sensoreinheit zumindest einen Schallemissions-(AE-)Sensor, einen Temperatursensor und einen Gyrosensor umfassen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung, die geeignet ist, Daten auszulesen, die durch die Sensoreinheit einer Nabeneinheit gemäß der oben definierten Art gewonnen wurden, worin die Steuerung konfiguriert ist, um eine Zustandsinformation und/oder Warnsignale basierend auf den Detektionsergebnissen, die von der Sensoreinheit erreicht wurden, zu erzeugen.
  • Die obigen Ausführungsformen der Erfindung sowie die beiliegenden Patentansprüche und Figuren zeigen mehrere kennzeichnende Eigenschaften der Erfindung in spezifischen Kombinationen. Ein Fachmann wird leicht in der Lage sein, weitere Kombinationen oder Subkombinationen dieser Strukturelemente zu berücksichtigen, um die Erfindung wie in den Patentansprüchen definiert an seine spezifischen Bedürfnisse anzupassen.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird nun zu beispielhaften und in keiner Weise einschränkenden Zwecken ausführlicher beschrieben, mit Verweis auf die folgenden Figuren, in denen
  • 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Nabeneinheit mit einer Endkappe und einem zweireihigen Kegelrollenlager ist.
  • 2 eine Schnittansicht der Endkappe nach 1 ist.
  • 3 eine Endkappe einer Nabeneinheit gemäß der Erfindung in angeordnetem Zustand zeigt.
  • 4 die Endkappe nach 1 und 3 mit einer Sensoreinheit und mit einer abgenommenen Abdeckplatte zeigt.
  • 5 die Sensoreinheit der Nabeneinheit gemäß 3 und 4 getrennt von der Nabeneinheit zeigt.
  • 6 die Sensoreinheit nach 5 mit abgenommenem oberem Abdeckteil zeigt.
  • 7 die Sensoreinheit nach 5 und 6, worin eine Abstützplatte, die die Übertragungseinheit trägt, abgenommen ist, zeigt.
  • 8 die Sensoranordnung und die Leiterplatten der Sensoreinheit gemäß 5–7 ohne ein Gehäuse der Sensoreinheit zeigt.
  • 9 eine Schnittansicht der Sensoreinheit gemäß 4–8 zeigt.
  • Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine Nabeneinheit, die eine Endkappe 10 umfasst, die mit drei Bolzen 12 an einer axialen Stirnfläche einer Achse 13 befestigt ist, um eine Lagereinheit 11 mit einem geteilten Innenring und einem Außenring, die auf der Achse 13 aufgezogen sind, vorzuspannen und zu sichern. Die Lagereinheit 11 ist ein zweireihiges Kegelrollenlager in O-Konfiguration.
  • Wie in 3 veranschaulicht, umfasst die Endkappe 10 ein Grundteil 14 aus massivem Metall und drei bogenförmige Abdeckplatten 16a–16c, die mit jeweils zwei Schrauben 17 an einer axial äußeren Seite des Grundabschnitts 14 befestigt sind, sodass sie den zentralen Abschnitt mit den Bolzen 12 umgeben.
  • Das metallene Grundteil 14 ist in 2 in einer Querschnittsansicht veranschaulicht. Eine äußere Seite des metallenen Grundteils 14, der in der angeordneten Konfiguration von der Lagereinheit 11 weg zeigt, ist mit einer ringförmigen, nutartigen Aussparung 18, die symmetrisch zu einem zentralen Loch der Endkappe 10 und ihrem Grundteil 14 ist, bereitgestellt. Die Tasche oder Aussparung 18 ist auf der radial äußeren Seite durch eine Metallwand 19 von im Wesentlichen konstanter Dicke und auf der radial inneren Seite durch einen festen Volumenskörper des Grundteils 14 begrenzt.
  • Wie in 3 und 4 veranschaulicht, bedecken die Abdeckplatten 16a–16c die ringförmige, nutartige Aussparung 18, die in den Grundabschnitt 14 auf seinem gesamten Umfang konzentrisch zu der Rotationssymmetrieachse des Grundabschnitts 14 gearbeitet ist. Der Grundabschnitt 14 hat eine dreifache Rotationssymmetrie, worin nur die Löcher 12a (1 und 2) für die Bolzen 12 und für die Schrauben zum Befestigen der Abdeckplatte 16a–16c die gesamte Rotationssymmetrie brechen. Als Konsequenz ist der Grundabschnitt 14 sehr robust und ausreichend stark, um die benötigte Axiallast abzustützen, während er die erforderlichen elastischen Eigenschaften aufweist und gleichzeitig leicht bearbeitbar ist.
  • Wie in 4 veranschaulicht ist die Sensoreinheit 20 in der Ringtasche 18 angeordnet. Die Sensoreinheit 20 weist einen vorstehenden Antennenabschnitt 22 auf, der Teil einer drahtlosen Übertragungseinheit 24 der Sensoreinheit 20 ist und die Abdeckplatte 16a, die die Sensoreinheit 20 abdeckt, weist ein Durchgangsloch 26 auf (3). In der zusammengebauten Konfiguration wie in 3 veranschaulicht ist der Antennenabschnitt 22 in das Durchgangsloch 26 eingepasst, sodass er über die Abdeckplatte 16a hervorsteht.
  • 5 veranschaulicht eine Konfiguration, worin die Sensoreinheit 20 aus der Tasche 18 herausgenommen wurde. Die Sensoreinheit 22 weist ein Verbindungsstück 28 auf, um die Sensoreinheit 20 mit einer Stromversorgung, z.B. Batterien oder Akkumulatoren, zu verbinden, die in der Aussparung unter den Abdeckplatten 16b und 16c bereitgestellt ist.
  • Eine obere Plastikabdeckung 30 eines Gehäuses 32 der Sensoreinheit 20 ist aus einem sehr robusten Plastikmaterial wie PPS GF30 hergestellt. Gerollte Metalleinsätze 34 sind in die Löcher an beiden Enden des Gehäuses 32 eingepasst. Die Einsätze 34 nehmen die Schrauben zum Befestigen der Abdeckplatte 16a auf, sodass die Sensoreinheit 20 mit denselben Schrauben befestigt wird.
  • Die obere Abdeckung 30 ist durch zwei weitere Schrauben auf dem Gehäuse befestigt und eine O-Ringdichtung ist zwischen der oberen Abdeckung 30 und dem Rest des Gehäuses 32 bereitgestellt. Das untere Teil des Gehäuses 32 ist gleichfalls aus demselben robusten Plastikmaterial wie die obere Abdeckung 30 hergestellt.
  • 6 veranschaulicht eine Konfiguration, bei der die obere Abdeckung 30 abgenommen ist. Eine Grundplatte 36 stützt die Übertragungseinheit 24 ab und drei Teile 38a, 38b, 40 einer Leiterplatte sind in passende Befestigungsschlitze in dem Gehäuse 32 eingepasst, sodass sie parallel zu einer axialen Richtung der Endkappe 10 angeordnet sind, was einer Rotationsachse des Lagers 11 entspricht. Die Leiterplatte 40 in der Mitte der Sensoreinheit 20 ist angeordnet, sodass ihre Verdrahtungsseite radial nach außen zeigt, d.h. zu der konvexen Seite des Gehäuses 32, während die Leiterplatten 38a, 38b in die im Wesentlichen entgegengesetzte Richtung angeordnet sind, d.h. sodass ihre Verdrahtungsseiten zu der konkaven Seite des Gehäuses 32 zeigen. Wie in 8 gezeigt sind die Leiterplatte 40 und die Leiterplatten 38a, 38b durch flexible Elemente 41a, 41b miteinander verbunden, sodass sie schwenkbar sind. Die gesamte Leiterplattenkonfiguration kann daher einfach in das gekrümmte Innere des Gehäuses 32 eingepasst werden, während trotz der gekrümmten Form des Gehäuses 32 ausreichend Befestigungsraum für die Schaltelemente ermöglicht wird.
  • 7 zeigt eine Konfiguration, bei der die Grundplatte 36 mit der Übertragungseinheit 24 abgenommen ist. Eine untere Oberfläche des Gehäuses 32 ist mit einem Durchgangsloch 42 (9) bereitgestellt, das die Sensorgrundplatte 44 aufnimmt, die durch Federn (nicht veranschaulicht) nach unten gezwungen wird, die gegen die Rückseite der Grundplatte 36 drücken. Die Sensor-Grundplatte 44 trägt einen Vibrationssensor und/oder einen Schallemissions-(AE-)Sensor 48 und einen Temperatursensor 50.
  • Wie in 8 und 9 veranschaulicht, ist ein Gyrosensor 52 an der Leiterplatte 40 befestigt.
  • Die Sensor-Grundplatte 44 wird an die untere Oberfläche der Tasche 18 in dem Grundabschnitt 14 der Endkappe 10 gedrückt, die dem inneren Ring des Lagers sehr nahe ist, sodass die Temperatur und die Vibrationen des Inneren Rings auf eine sehr verlässliche Weise gemessen werden können.
  • Ferner sind auf der zentralen Leiterplatte 40 zwei weitere Kristalle für die Übertragungseinheit 24 bereitgestellt.
  • Die Signale, die von den Sensoren 48–52 erhalten werden, werden in einer Verarbeitungseinheit 54 auf der Leiterplatte 40 verarbeitet und durch die Übertragungseinheit 24 auf drahtlose Weise an die Sensoreinheit 20 überträgt. Die Signale werden von einer Steuerungseinheit (nicht veranschaulicht) in dem Zug empfangen und verarbeitet, die die gemessenen Werte mit Schwellenwerten vergleicht, die eine Funktion der Außentemperatur oder anderer Außenseitenparameter sein kann, und Zustandsinformationen und/oder Warnsignale in Bezug auf die Lagereinheit 11 erzeugt.

Claims (11)

  1. Nabeneinheit, die eine Endkappe (10) umfasst, die ein massives Grundteil aus Metall zum Vorspannen und Sichern einer Lagereinheit auf einer Achse (13) umfasst, worin die Endkappe (10) mit Bolzen (12) auf einer axialen Stirnseite der Achse (13) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Endkappe (10) mit einer Sensoreinheit (20) zum Detektieren von zumindest Vibrationen und/oder Temperatur der Lagereinheit (11) bereitgestellt ist.
  2. Nabeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (20) mit einer drahtlosen Übertragungseinheit (24) zum Senden der durch die Sensoreinheit (20) gewonnenen Daten bereitgestellt ist.
  3. Nabeneinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endkappe (10) mit einer Tasche (18) bereitgestellt ist, die die Sensoreinheit (20) aufnimmt, worin die Tasche (18) durch zumindest eine Abdeckplatte (16a–16c) abgedeckt ist.
  4. Nabeneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tasche als eine ringförmige Aussparung (18) gebildet ist, die in Bezug auf eine Rotationsachse der Lagereinheit (11) konzentrisch angeordnet ist.
  5. Nabeneinheit nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckplatte (16a) mit einem Durchgangsloch (26) bereitgestellt ist, worin zumindest ein Antennenabschnitt (22) der Übertragungseinheit (24) durch das Durchgangsloch (26) über die Abdeckplatte (16a) hervorsteht.
  6. Nabeneinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (20) mit einem bogenförmigen abgedichteten Schutzgehäuse (32) und mit einer Leiterplatte (38a, 38b, 40), die innerhalb des Gehäuses (32) angeordnet ist, bereitgestellt ist.
  7. Nabeneinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte mehrere Teile (38a, 38b, 40) umfasst, wobei die Teile durch ein flexibles Element (41a, 41b) schwenkbar miteinander verbunden sind.
  8. Nabeneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdrahtungsseite von zumindest einem der mehreren Teile (40) der Leiterplatte in eine Richtung ausgerichtet ist, die im Wesentlichen entgegengesetzt zu der Richtung ist, in die zumindest eines seiner benachbarten Teile (38a, 38b) der Leiterplatte ausgerichtet ist.
  9. Nabeneinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (20) zumindest einen Schallemissionssensor (48) umfasst.
  10. Nabeneinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (20) zumindest einen Gyrosensor (52) umfasst.
  11. Steuerung, die geeignet ist, um Daten, die durch die Sensoreinheit einer Nabeneinheit gemäß einem beliebigen der vorangegangenen Ansprüche gewonnen wurden, auszulesen, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um basierend auf den Detektionsergebnissen, die von der Sensoreinheit (20) erhalten wurden, eine Zustandsinformation und/oder Warnsignale zu erzeugen.
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