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Technisches Feld
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Feld der Stahlmetallurgie und im Speziellen eine verbesserte Lageranordnung. Die verbesserte Lageranordnung ermöglicht die Messung der relativen Orientierung oder der Drehgeschwindigkeit von Komponenten der Anordnung durch Beobachtung und Messung der magnetischen Eigenschaften einer Fläche, die sich relativ zu einem Sensor bewegt.
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Hintergrund
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Lager sind Vorrichtungen, die eine gebundene, relative Bewegung zwischen zwei Teilen erlauben. Wälzlager zum Beispiel umfassen typischer Weise innere und äußere Laufringe und mehrere Wälzkörper (beispielsweise Kugeln und/oder Rollen), die dazwischen angeordnet sind.
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Lager werden in einer großen Vielzahl von Anwendungen verwendet und es ist oft nötig, dass man fähig ist, die relative Orientierung oder die Drehgeschwindigkeit der Teile zu messen. Beispielsweise kann ein ABS-System dazu betrieben werden, einen Schlupf oder ein Sperren der Flächen innerhalb des Lagers, verglichen mit der erwarteten Drehrate, zu messen. Eine Abweichung von der erwarteten Drehgeschwindigkeit würde einen Traktionsverlust anzeigen und würde das ABS-System einschalten.
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Es ist bekannt, in Lagern magnetische Sensorsysteme zu verwenden, um die relative Orientierung festzustellen. Ein Beispiel für eine derartige Lageranordnung ist in 1 dargestellt, die einen magnetischen Ring (einen „Impuls“ Ring) aufweist, der an einem Teil eines sich drehenden Teils des Lagers angeordnet ist. Der Impulsring ist, wie in 2 dargestellt, exzentrisch an der sich drehenden Fläche angeordnet. Da der Sensor stationär ist, ändert sich die von ihm aufgenommene Magnetfeldstärke entsprechend dem relativen Überlapp zwischen dem Sensor und dem Ring. Dies ermöglicht eine genaue Messung der Rotationsorientierung der entsprechenden Teile des Lagers. Auf diese Weise kann die Drehzahl und die Drehfrequenz (RPM) festgestellt werden.
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Die Verwendung eines Impulsrings, oder eines Äquivalents, wie beispielsweise einer magnetischen Dichtung oder Scheibe (die auf einem sogenannten variablen magnetischen Widerstand beruhen) ist wohlbekannt. In der Tat ist die Technologie alltäglich bei Radgeschwindigkeitssensoren (ABS) von Personenfahrzeugen, Lastkraftwagen und einigen Schienenanwendungen. Sie ist ebenso allgemein üblich für Kurbelwellen- und Nockenwellenpositionsdetektionen in Verbrennungsmaschinen und bei Steuereinheiten, der Steuerung von Elektromotoren und bei Lagereinheiten mit Kommutierungssensor.
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Die magnetischen Ringe, die in den bekannten Anwendungen verwendet werden, werden typischer Weise auf ein oder zwei unterschiedliche Weisen hergestellt. Gemäß dem ersten Verfahren wird das magnetische Material gesintert, um einen Ring auszubilden. Gemäß dem zweiten Verfahren, werden Partikel aus magnetischem Material mit Polymeren oder Elastomeren vermischt, und dann in eine Ringform gepresst und, falls notwendig, vulkanisiert. Die resultierenden Ringe werden auf die benötigte Anzahl von Polpaaren magnetisiert. Typischer Weise werden die Polymere oder Elastomere im Hinblick auf eine einfache Montage und im Hinblick auf eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Rings ausgewählt.
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Die üblicherweise verwendeten magnetischen Materialien variieren von einfachen Ferriten (eine Form von Magnetit, wobei Barium oder Strontium zur Qualitätsverbesserung verwendet werden) bis zu teuren, auf Seltenerdmetallen basierenden Pulver. Beispiele für geeignete magnetische Materialien sind im Stand der Technik wohlbekannt und umfassen beispielsweise Neodym-Dysprosium-Eisen-Boron, Samariumkobalt, Samariumeisennitrit (SmFeN) oder Vermischungen von SmFeN und FeCo.
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US 5200697 offenbart eine Lageranordnung mit einem Impulsring, um die Drehgeschwindigkeit in einem Lager festzustellen.
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Es ist eine Aufgabe vorliegender Erfindung, eine verbesserte Lageranordnung bereitzustellen, und einige der Probleme, die mit dem Stand der Technik einhergehen, anzugehen, oder zumindest eine kommerziell brauchbare Alternative dazu bereitzustellen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Lageranordnung bereitgestellt mit:
einem Magnetsensor;
einer Welle; und
einem Lager,
wobei entweder die Welle oder das Lager mit einer Fläche ausgestattet ist, die einen Stahl umfasst und darauf ein Magnetmuster hat, um eine Rotation der Welle relativ zu dem Lager anzuzeigen, wobei das Magnetmuster durch die Mikrostruktur auf der Fläche bereitgestellt ist; und
der Sensor dazu angeordnet ist, das Muster zu detektieren und ein Signal auszugeben, das eine Rotation der Welle relativ zu dem Lager anzeigt.
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Die vorliegende Erfindung wird nun weiter beschrieben. In den folgenden Passagen werden verschiedene Aspekte der Erfindung genauer definiert. Jeder so definierte Aspekt kann, sofern nicht klar das Gegenteil angezeigt ist, mit jedem anderen Aspekt oder Aspekten kombiniert werden. Insbesondere kann jedes Merkmal, das als bevorzugt oder vorteilhaft beschrieben ist, mit einem anderen Merkmal oder Merkmalen, die als bevorzugt oder vorteilhaft beschrieben sind, kombiniert werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit einer Welle und einem Lager. Diese sind üblicherweise aus Stahl hergestellt, der gehärtet sein kann, um ideale Eigenschaften für derartige strapazierende Verwendungen aufzuweisen.
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Die Erfindung betrifft das Bereitstellen eines Magnetsensors, der dazu angeordnet ist, ein auf einer Fläche der Welle oder des Lagers bereitgestelltes Muster zu detektieren. Derartige Sensoren sind im Stand der Technik wohlbekannt. Beispiele derartiger Sensoren umfassen Hallsensoren und Magnetresistoren.
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Das Muster hat vorzugsweise sich regelmäßig verändernde magnetische Eigenschaften. Die Erfinder haben herausgefunden, dass dies durch regelmäßigen Wechsel der Mikrostruktur des Stahls erreicht werden kann. Der Bereich, der die sich verändernde Wechselfolge aufweist, kann auf oder unter der Oberfläche der Fläche angeordnet sein, wird aber durch einen Sensor, der die Fläche scannt, gemessen. Der Sensor ist dazu angeordnet, das Muster zu detektieren und ein Signal auszugeben, das eine Rotation des sich drehenden Teils des Lagers (üblicherweise der Welle) relativ zu dem feststehenden Teil des Lagers anzeigt. Dies ermöglicht eine bequeme Messung der Drehgeschwindigkeiten.
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Die hierin beschriebene Anordnung beruht auf einem Magnetsensor, der derart angeordnet ist, dass im Betrieb eine sich bewegende Fläche am Sensor vorbei läuft. Dies ermöglicht, dass der Sensor die sich bewegende Fläche scannt und dadurch die Eigenschaften der sich bewegenden Fläche feststellt. In einem einfachen Ausführungsbeispiel kann es der Sensor jedes Mal, wenn ein spezielles Teil der sich drehenden Fläche den Sensor passiert, erfassen und dadurch die Rotationen zählen. In einem komplexeren Ausführungsbeispiel kann die auf der Fläche bereitgestellte Information ausreichend detailliert (oder einzigartig) sein, um eine genaue Orientierungsmessung der relativen Position der sich bewegenden Fläche zu ermöglichen.
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Die Erfinder haben realisiert, dass die magnetische Struktur integral mit einem der Komponenten der Lageranordnung bereitgestellt werden kann, vorausgesetzt, dass die Komponente einen Lagerstahl umfasst. Die magnetischen Eigenschaften von Lagerstahl sind für jede Strukturart unterschiedlich, wie beispielsweise für alphaferritische, austenitische, barinitische und martensitische Mikrostrukturen.
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Insbesondere haben sie realisiert, dass die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften der verschiedenen Stahlmikrostrukturen eine Möglichkeit bereitstellen, ein Muster in die Fläche einer Komponente einzubringen. Dies wird dadurch erreicht, dass Regionen oder Bereiche mit unterschiedlichen Mikrostrukturen hergestellt werden. Beispielsweise können bei einer im Wesentlichen martensitischen Welle Teile der Fläche in Austenit umgewandelt werden, indem ein Differenzinduktionshärten, ein Mikrolegieren, ein Aufkohlen oder sogar ein Thermallaser verwendet werden.
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Der Sensor kann Unterschiede zwischen den verschiedenen mikrostrukturellen Regionen detektieren. Darüber hinaus stellen die aus einem Lagerstahl hergestellten Flächen der Lageranordnung eine Möglichkeit bereit, die Mikrostrukturen lokal nahe den Flächen anzupassen, um die magnetischen Eigenschaften, die entlang der Fläche messbar sind, zu variieren, um identifizierbare Informationen bezüglich der Rotation oder der Orientierung bereitzustellen.
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Der Sensor wird dazu verwendet, eine Oberfläche einer Welle oder eines Lagers (vorzugsweise des Lagers) zu scannen. Der Sensor misst die magnetischen Eigenschaften der Mikrostruktur relativ zu der Oberfläche, die dazu angeordnet ist, gescannt zu werden. Wie erkennbar ist, umfasst die Mikrostruktur Kristallgitterstrukturen, die in das Material der Lageranordnungskomponente eingeformt sind. Diese erstrecken sich in den Körper der Komponente, da die Strukturen natürlich eine dreidimensionale Form aufweisen. Weiterhin müssen die tatsächlichen mikrostrukturellen Teile, die das Flächenmuster bilden, nicht direkt auf der Oberfläche sein, auf welcher sie dazu dienen, die magnetische Struktur auszubilden. Das heißt, dass der mikrostrukturelle Bereich innerhalb des Körpers der Komponente sein kann, oder mit einer Schutzschicht oder Schutzbeschichtung ausgestattet sein kann, vorausgesetzt, dass die magnetischen Eigenschaften, die aus der Mikrostruktur resultieren, durch einen Scanner, der dazu angeordnet ist, die Oberfläche zu scannen, festgestellt werden können.
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Die Änderungen der Mikrostruktur kann variiert werden, um Bereiche mit unterschiedlichen magnetischen Feldstärken bereitzustellen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass man einen größeren Bereich oder eine größere Tiefe der speziellen Mikrostruktur hat. Ein tieferer Teil beispielsweise würde eine vereinfachte Messung einer speziellen Eigenschaft ermöglichen. Alternativ können mehrere Sensoren, oder eine Reihe von Sensoren vorgesehen sein. Durch Kombinieren und Vergleichen der Ablesewerte dieser Sensoren kann möglich sein, die Orientierung der Anordnungskomponenten genau festzulegen.
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Genauer gesagt haben die gegenwärtigen Erfinder herausgefunden, dass es möglich ist, eine Fläche einer Lageranordnung mit einem mikrostrukturellen Muster auszustatten, das eine Ortsdetektion der Orientierung und/oder der Drehung zugehöriger Komponenten ermöglicht. Insbesondere haben sie herausgefunden, dass sie statt eines sperrigen Magnetrings, wie in konventionellen Systemen benötigt, einfach die Fläche der Lagerkomponente mit einem Muster ausstatten können. Dieses reduziert das Gewicht und die Größe der Lageranordnung, da zusätzliche Ringe, die zuerst montiert werden müssen, nicht benötigt werden, und es ermöglicht eine größere Montagevereinfachung. Dies ist bedingt durch die Bereitstellung eines Musters auf dem Lager und nicht auf einem separaten Ring, der üblicherweise willkürlich an dem Lager montiert werden muss. Es ermöglicht außerdem, dass ein Muster eine einzigartige Orientierung und/oder eine sichtbare Markierung anzeigt. Weiterhin ist die Lebensdauer der einfachen Anordnung signifikant verbessert. Es gibt beispielsweise kein Risiko, dass sich der Impulsring löst, verschleißt oder bricht.
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Beispielsweise können die Stähle, die typischer Weise in Lagern verwendet werden, einen hohen Anteil von martensitischen oder bainitischen Strukturen aufweisen. Eine martensitische Struktur hat wie weicher (ferritischer) Stahl eine hohe Permeabilität, während das austenitische Material nicht magnetisch ist und eine geringe Permeabilität (nahe 1) aufweist. Falls das Lager mit einer vorherrschend martensitischen Struktur über die Austenisierungstemperatur erhitzt wird, wird die Materialstruktur zurück in Austenit umgeformt. Auf diese Weise ist das martensitische Substrakt für eine Informationsinschrift durch lokale Wärmebehandlung geeignet. Um diese Transformation einfach zu erreichen, ist es möglich, eine lokale Wärmebehandlung anzuwenden oder die Struktur durch Differenzinduktionshärten, Mikrolegieren, oder Randaufkohlen zu verändern.
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In einem Ausführungsbeispiel ermöglicht die hierin beschriebene Lageranordnung eine Winkeldetektion, wobei ein Wälzlagerring verwendet wird, der mit periodisch wechselnden Mikrostrukturen des Lagerstahls als magnetisches Zielobjekt hergestellt ist. Durch die regelmäßige Änderung der Mikrostruktur um den Umfang des Rings, ändert sich die magnetische Permeabilität des Rings entsprechend. Dies wird durch einen Sensor, der aus einem magnetischen Feldsensor (Hallsensor, Magnetwiderstandssensor) und einer Magnetfeldquelle (ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet) besteht, detektiert. Das Magnetmuster ist typischer Weise auf einer nicht kontaktierten Fläche ausgebildet. Das heißt, auf den Flächen, die nicht mit Wälzkörpern beaufschlagt sind. Die nicht kontaktierten Bereiche sind leichter für Messungen zugänglich.
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Die Erfinder haben realisiert, dass die vorliegende Erfindung eine breite Anwendbarkeit hat. Beispielsweise können die Sensoren in elektrischen Motoren und Generatoren verwendet werden, um deren mechanischen Input/Output und deren elektrischen Energieinput oder -output zu steuern.
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Weiterhin sind sie, Dank der Einfachheit des Designs, geeignet unter rauen Bedingungen, wie beispielsweise hohen Temperaturen, verwendet zu werden. Dies ermöglicht eine Detektion unter hohen Temperaturen und/oder hohen Winkelgeschwindigkeiten. Dies ist insbesondere brauchbar für elektrische Turbolader von Fahrzeugmotoren, für Start/Stopp-Motorsysteme und kostengünstige Hybrid-Elektromotoren. Zudem können sie Dank des kostengünstigen Designs, als Feedbacksensoren in Schiffsrudersteuersensoren verwendet werden. Zudem können sie Dank ihrer Skalierbarkeit für eine Winkeldetektion der Neigung und Position von Großlagern wie in beispielsweise Windturbinen oder in industriellen Getriebesystemen verwendet werden.
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Weiterhin ist der Größe des Magnetmusters, das durch das Verfahren bereitgestellt ist, keine Grenze gesetzt. Dies steht im Kontrast zu der Verwendung von klassischen Magnetringen. Während kleine Impulsringe (kleiner als 10 cm) günstig herzustellen sind, steigen die Kosten mit größeren Durchmessern rapide an. Das Magnetmuster ist vorzugsweise im Allgemeinen ringförmig. In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Durchmesser des Magnetmusters zumindest 10 cm betragen. Noch bevorzugter kann der Durchmesser des Magnetmusters zumindest 30 cm betragen.
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Vorzugsweise ist der Lagerstahl ein nicht-, gering-, und mediumlegierter Stahl wie beispielsweise SAE4310, SAE4118, SAE8620, SAE4320, SAE1055, SAE1070, 100Cr6 (=SAE52100), oder ein hochlegierter Stahl wie beispielsweise 100CrMo7 (SKF Grad 24), 100CrMnMoSi8-4-6 (SKF Grad 7), M50 oder M50NIL.
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Vorzugsweise ist das Magnetmuster durch Regionen von vergrößertem oder verringertem austenitischem Gehalt gebildet. Das relative magnetische Feld, das den Austeniten zugeordnet ist, ist unterschiedlich zu dem anderer mikrostruktureller Formen des Stahls. Dementsprechend ermöglicht die relative Konzentration von austenitischen Bereichen in einem Teil des Stahls, dass unterschiedliche Magnetfeldstärken durch einen Magnetsenor detektiert werden. Vorzugsweise ist das Magnetmuster ein reguläres Muster. Das Rastermaß oder die Konfiguration des Musters kann mit einem vorkalibrierten System verwendet werden, um die Orientierung oder Drehgeschwindigkeit festzulegen. Alternativ kann das Muster irregulär sein, kann jedoch durch Vorkalibrierung des Rings bekannt sein. Es ist auch möglich, dass das Muster einzigartig für jede Region oder jeden Punkt umfänglich des Ringes ausgebildet ist.
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Alternativ kann das Magnetmuster eine konstante Feldstärke (oder regelmäßige Wechselfolge) sein, aber von unterschiedlichen Stellen entlang des Umfangs der Fläche entstammen. Beispielsweise kann an einer sich drehenden Welle ein Magnetmuster einen Bereich konstanter Feldstärke mit einer variierenden axialen Position sein. Ähnlich kann, auf einer ebenen Fläche mit einer Bohrung für eine sich drehende Welle, das Magnetmuster ein Bereich konstanter Feldstärke mit variierendem radialen Abstand von der Bohrungsmitte sein.
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Die Verwendung von wechselweise Austenit ist aus einer Vielzahl von Gründen vorteilhaft. Insbesondere da Austenit bereits einen Teil der Welle oder des Lagers ausbildet, gibt es keine Vergrößerung in der Massebilanz des mit dem Muster ausgestatteten Lagers. Dies ermöglicht weit leichtere Messsysteme. Darüber hinaus kann jede Gewichtseinsparung an sich bewegenden Teilen einer Lageranordnung zu signifikanten Energieersparnissen beim Beschleunigen dieses Teils führen.
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Vorzugsweise ist das Magnetmuster an einer Welle oder an einer Komponente des Lagers, das sich mit der Welle dreht, angeordnet.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Fläche mit dem Magnetmuster einen „alpha-iron“ bzw. ferritischen und/oder martensitischen und/oder bainitischen Stahl mit Bereichen, die einen bestimmten Austenitgrad innerhalb einer ferritischen Matrix aufweisen, auf. Dies ist eine bevorzugte Ausführungsform, da es relativ unkompliziert ist, durch Hitzebehandlung der Oberfläche ein austenitisches Muster auf einem ferritischen oder martensitischen oder bainitischen Stahl auszubilden. Dies kann beispielsweise durch einen Laserbehandlungsschritt aber auch durch Induktionshärten durchgeführt werden.
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Ein Wiederhärten eines bereits hitzebehandelten und abgeschreckten martensitischen Stahls könnte lokal den Austenitgehalt ändern. Alternativ kann der weich geglühte Stahl (unter normal geglühter und/oder weich geglühter Bedingung) lokal gehärtet werden.
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Eine andere Möglichkeit lokal eine unterschiedliche Zusammensetzung des Austenit/Ferrit-Gemischs herzustellen, ist das Mikrolegieren kombiniert mit einer Wärmebehandlung, aber auch Tieffrieren. Beispiele basieren auf einem Abschrecken in flüssigem Stickstoff oder einem lokal wiederholten Abschrecken. Tieffrieren kann auch verwendet werden, falls das Mikrolegieren ein gewünschtes geometrisches Muster in wechselnden Bereichen hat. Nickel kann vor der Wärmebehandlung zuerst auf den weichen Stahl aufgedruckt oder auf ihm abgeschieden werden. Der Wärmebehandlung folgt ein Normaltemperaturzyklus und in den Bereichen, in denen Nickel vorhanden ist, bleibt der Austenit stabil. Das Tieffrieren wird den Ferritanteil in den martensitisch/bainitischen Teilen vergrößern.
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Eine andere Möglichkeit lokal unterschiedliche Muster zu erzeugen ist es, zu ermöglichen, dass Kohlenstoff und/oder Stickstoff in die Oberflächenschicht eindiffundiert, wobei eine fingerartige Maske verwendet wird. Die Maske reduziert, dort wo sich die Finger befinden, die Eindiffusion von C und/oder N, während die offen freiliegenden Teile schneller C und/oder N aufnehmen. In diesem Fall kann N förderlich sein, da es als Austenitstabilisierer wirkt.
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Vorzugsweise ist der Magnetsensor ein Halleffektsensor oder mehrere oder eine Reihe von Halleffektsensoren. Diese sind im Stand der Technik wohlbekannt und stellen eine einfache und verlässliche Methode zum Messen der Magnetfeldstärke bereit. Alternativ können Magnetwiderstandssensoren verwendet werden, um die durch die strukturellen Variationen bedingte Variation des Magnetfelds zu messen.
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Vorzugsweise ist das Magnetmuster durch eine kontrollierte und sich regelmäßig ändernde Austenitkonzentration um und in dem Volumen unter der Fläche bereitgestellt. Die Verwendung eines kontinuierlichen Musters um die Welle oder um die Fläche des Lagers herum, ermöglicht eine genaue Orientierungsfeststellung der relativen Position von Welle und Lager. Vorzugsweise ist die Fläche mit dem Magnetmuster auf der Welle oder auf einem sich drehenden Element des Gleit- oder Wälzlagers bereitgestellt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird hiermit ein Verfahren bereitgestellt zum Herstellen einer wie oben beschriebenen Lageranordnung, wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen einer Lageranordnung mit einem Magnetsensor, einer Welle und eines Lagers,
Behandeln eines oder mehrerer Teile einer Fläche der Welle oder des Lagers, die aus Lagerstahl gebildet sind, um unterschiedliche mikrostrukturelle Bereiche auf der Fläche auszubilden,
wobei der Sensor dazu angeordnet ist, das Muster der unterschiedlichen mikrostrukturellen Bereiche zu detektieren.
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Die Flächenbehandlung kann die Behandlung eines Teils des Stahls an oder neben der Fläche umfassen, kann aber auch die Behandlung eines Teils des Stahls unterhalb der Fläche, aber detektierbar an der Oberfläche der Lagerkomponente, umfassen.
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Vorzugsweise umfasst der Schritt des Behandelns eines oder mehrerer Teile einer Fläche der Welle oder des Lagers, um unterschiedliche mikrostrukturelle Bereiche auf der Fläche auszubilden, einen oder mehrere Schritte von:
Wärmebehandeln des einen oder der mehreren Teile, um Austenit in den Teilen auszubilden; und
Abdecken des einen oder der mehreren Teile vor einem Karbonitrieren oder Karbunieren der Fläche, um Austenit auf der unabgedeckten Fläche auszubilden.
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Die folgenden speziellen Verfahren sind angedacht:
- 1. Ein Lager mit einer oberflächengehärteten Lauffläche, aber mit weichen Stirnflächen/Seiten.
Der weiche Teil des Rings wird hauptsächlich alphaferritisch sein. Durch Verwendung von Induktion oder Laseraustenisierung ist es möglich, austenitreiche Stelle auszubilden, wobei ein Abschrecken und Anlassen folgt. Die Stellen können verwendet werden, um ein Magnetmuster auszubilden, das von dem Sensor detektiert werden kann.
- 2. Ein aus durchgängig gehärteten Produkten hergestelltes Lager (geeignet für Legierungen wie beispielsweise 100Cr6 und 100CrMo7) kann durch stellenweise Austenisierung behandelt werden, um mehr Austenit zu erzeugen. Diesem würde ein Anlassen oder ein erneutes Anlassen folgen, um durch eine kurze Wärmebehandlung den beibehaltenen Austenit auf der übrigen Fläche zu reduzieren. Beispielsweise bei 300 °C in einem Salzbad für ungefähr 8 Sekunden, statt 220 °C für eine längere Zeit (1,5 Stunden üblicherweise).
- 3. Ein aus durchgängig gehärteten Produkten hergestelltes Lager (geeignet für Legierungen wie beispielsweise 100Cr6 und 100CrMo7) kann während einer Karbonitrierung für verschleißrestistente Oberflächen stellenweise abgedeckt werden. Die Verwendung einer Maske führt zu Stellen, die nicht karbonitriert werden sollen, um eine Wechselfolge von beibehaltenem Austenit zu erzeugen.
- 4. Ein aus aufgekohlten Produkten hergestelltes Lager kann ebenfalls durch Maskierung behandelt werden. Dies kann selektiv weniger karbonisierte Stellen erzeugen, indem diese Stellen beim Kohlenstoffdiffusionsprozess abgedeckt sind (Maskieren der Stellen, wobei andererseits der Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Stahlmatrix eindiffundieren würde und dadurch Erzeugungen von Austenit). Diesem würde notwendigerweise ein Härtungs- und Anlassschritt folgen.
- 5. Ein Lager aus aufgekohlten Produkten kann auch behandelt werden, um selektiv hochalphaaustenitaufweisende Stellen zu erzeugen, indem während des Aufkohlungsprozesses mit Nickel legiert wird.
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Vorzugsweise wird der Schritt des Wärmebehandelns des einen oder der mehreren Bereiche mit einem Laser durchgeführt.
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Die Struktur der Stahllegierungen kann durch konventionelle mikrostrukturelle Charakterisierungstechniken wie beispielsweise optische Mikroskopie, TEM, SEM, AP-FIM, und Röntgenbrechung zusammen mit Kombinationen von zwei oder mehr dieser Techniken durchgeführt werden.
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Figuren
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Vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die anhängigen Zeichnungen beispielhaft weiter beschrieben, wobei in den Zeichnungen:
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1 eine schematische Darstellung eines bekannten Lagers 1 mit einem Impulsring 2 und einem Magnetsensor 3 zeigt.
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2 zeigt einen Querschnitt durch ein bekanntes Lager 1, der eine exzentrische Konfiguration des Impulsrings 2 relativ zum Sensor 3 darstellt.
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3 zeigt Querschnittsdarstellungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den 3A, 3B und 3C ist ein Sensor an einem Lager angebracht, um eine bemusterte Oberfläche einer sich drehenden Welle (3A und 3B) oder einer sich drehenden Schelle, die an der Welle befestigt ist (3C), zu scannen. In 3D ist ein Sensor an einer Welle befestigt, um eine bemusterte Fläche einer sich drehenden Lagerkomponente zu scannen.
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Genauer gesagt illustriert 3A eine Lageranordnung 100, die ein erstes Ausführungsbeispiel bildet.
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Die Lageranordnung 100 umfasst: ein Gleitlager 110 (oder ein geteiltes Lager 110); eine Welle 120; und einen Magnetsensor 130.
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In dem Ausführungsbeispiel von 3A ist die Welle 120 mit einem Magnetmuster 125 auf ihrer Oberfläche ausgestattet, und ein Magnetsensor 130 ist an der Lageranordnung 100 angeordnet, um sich mit dem Gleitlager 110 relativ zu der Welle 120 zu drehen. Vorzugsweise ist der Sensor 130 direkt an dem Gleitlager 110 angebracht.
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Der Sensor 130 ist derart angebracht, dass ein Bereich des Magnetmusters 125 zu dem Sensor 130 frei liegt. Der Sensor 130 ist derart angeordnet, dass er eine relative Drehung zwischen der Welle 120 und dem Gleitlager 110 detektiert.
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Das Magnetmuster 125 ist vorzugsweise ein regelmäßiges, sich wiederholendes Muster entlang des Umfangs der Welle 120. Alternativ ist das Magnetmuster 125 einzigartig für jede Stelle entlang des Umfangs der Welle 120. Optional gibt der Sensor 130 ein eindeutiges Signal für eine relative Drehverschiebung von Welle 120 und Lager 110 aus. Alternativ kann der Sensor und ein Detektionssystem kalibriert werden, um den Ort und die Orientierung basierend auf den Messungen, die an dem regelmäßig sich wiederholenden Muster durchgeführt werden, festzustellen.
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Eine Rotation der Welle 120 relativ zu dem Sensor 130 legt an dem Sensor 130 unterschiedliche Bereiche des Magnetmusters 125 frei. Der Sensor 130 kann dadurch ein Signal ausgeben, das eine Drehung der Welle 120 relativ zu dem Gleitlager 110 oder eine Drehgeschwindigkeit der Welle 120 relativ zu dem Gleitlager 110 anzeigt.
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3B illustriert eine Lageranordnung 200, die ein zweites Ausführungsbeispiel darstellt.
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Die Lageranordnung 200 umfasst: ein Lager 210, eine Welle 220; und einen Magnetsensor 230.
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Das Lager 210 kann ein Kugellager oder ein Rollenlager 210 sein. In 3B ist ein Kugellager gezeigt. Das Lager 210 umfasst: einen äußeren Laufring 211; mehrere Kugeln 212; und einen inneren Laufring 213. Der innere Laufring 213 kann an der Welle 220 befestigt sein und sich mit ihr drehen.
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In dem Ausführungsbeispiel von 3B ist die Welle 220 mit einem Magnetmuster 225 auf ihrer Oberfläche ausgestattet und ein Magnetsensor 230 ist an dem äußeren Laufring 211 der Lageranordnung 200 befestigt, um sich relativ zu der Welle 220 um eine Drehachse der Welle 220 zu drehen. Der Sensor 230 ist somit dazu angeordnet, eine relative Drehung zwischen der Welle 220 und dem äußeren Laufring 211 zu detektieren.
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In 3C umfasst das Lager 310: einen äußeren Laufring 311; mehrere Kugeln 312; und einen inneren Laufring 313. Der innere Laufring 313 kann an der Welle 320 befestigt sein und sich mit ihr drehen, und der Sensor 330 ist an dem äußeren Laufring 311 befestigt. Das Ausführungsbeispiel von 3C ist im Wesentlichen das gleiche wie das von 3B, bis darauf, dass das Magnetmuster 325 nicht an der Welle 320, sondern an dem inneren Laufring 313 der Lageranordnung 300 bereitgestellt ist.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele umfassen Sensoren 130, die an sich nicht drehenden Komponenten befestigt sind und Magnetmuster, die an den sich drehenden Komponenten ausgebildet sind. Alternative Ausführungsbeispiele sind vorgesehen, in denen der Sensor 130 an der Welle 120 und das Magnetmuster an dem Gleitlager 110 ausgebildet ist. Derartige Lager sind jedoch weniger bevorzugt. Vorzugsweise umfassen solche Sensoren 130 einen Kommutator oder produzieren ein drahtloses Signal für einen Fernempfang.
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3D illustriert eine Lageranordnung 400, die ein erstes Ausführungsbeispiel ausbildet. Die Lageranordnung 400 umfasst: ein Kugellager 410 (oder ein Rollenlager 410); eine Welle 420; und einen Magnetsensor 430.
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In 3D umfasst das Lager 410: einen äußeren Laufring 411; mehrere Kugeln 412; und einen inneren Laufring, der integral mit der Welle 420 ausgebildet sein kann.
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In dem Ausführungsbeispiel von 3D ist das Lager 410 mit einem Magnetmuster 425 auf seiner nicht kontaktierten Oberfläche ausgestattet und ein Magnetsensor 430 ist an der Welle 420 befestigt, um mit dem Lager 410 relativ zu der Welle 420 zu rotieren. Vorzugsweise ist der Sensor 430 direkt an der Welle 420 befestigt. Im Betrieb ist in diesem Ausführungsbeispiel, anderes als in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, die Welle 420 vorzugsweise stationär.
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Der Sensor 430 ist derart befestigt, dass ein Bereich des Magnetmusters 425 gegenüber dem Sensor 430 frei liegt. Der Sensor 430 ist derart angeordnet, dass er eine relative Drehung zwischen der Welle 420 und dem Lager 410 detektiert.
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Das Magnetmuster 425 kann entlang des Umfangs des Lagers 410 variieren, es ist jedoch vorzugsweise ein regelmäßiges sich wiederholendes Muster oder Feld. Das Magnetmuster 425 kann für jede Stelle entlang des Umfangs des Lagers 410 einzigartig sein, und der Sensor 430 kann ein einzigartiges Signal für eine relative Drehverschiebung zwischen Welle 420 und Lager 410 ausgeben. Alternativ können der Sensor und das zugehörige System und ein Steuergerät die Drehverschiebung und/oder die Drehgeschwindigkeit über eine Vorkalibrierung in Relation mit einem sich wiederholendem Muster festlegen.
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Eine Drehung des Lagers 410 relativ zu dem Sensor 430 legt verschiedene Bereiche des Magnetmusters 425 gegenüber dem Sensor 430 frei. Der Sensor 430 kann dadurch ein Signal ausgeben, das die Drehung des Lagers 410 relativ zu der Welle 420 oder die Drehgeschwindigkeit des Lagers 410 relativ zu der Welle 420 anzeigt.
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Das Magnetmuster ist vorzugsweise durch Laserwärmebehandlung einer Wälzlagerstahloberfläche ausgebildet. Unter Verwendung dieses Beispiels werden verschiedene Ausgestaltungen des Magnetmusters beschrieben.
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Ausgehend von einer martensitischen oder alphaferritischen Lagerstahlfläche wird ein Thermallaser verwendet, um Teile der Fläche der Welle oder des Lagers zu erwärmen und dadurch austenitische Regionen auszubilden. Diese Regionen können zum Beispiel in Form von Punkten an unterschiedlichen Stellen, unterschiedlicher Größe, unterschiedlicher Tiefe und unterschiedlicher Dichte ausgebildet sein, um dadurch einen einzigartigen Bereich auf der Oberfläche zu identifizieren. Dank der Variation im magnetischen Feld, die detektiert werden kann, kann die Orientierung und/oder Drehgeschwindigkeit festgestellt werden. In einem Ausführungsbeispiel kann das Muster einfach ein magnetischer Strich sein, ähnlich einem Impulsring in seiner Form, der exzentrisch zu dem Sensor ist und dadurch eine sich ändernde Feldstärke produziert, die von dem Sensor gemessen wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Ausdehnung der austenitischen Mikrostrukturumwandlung auf der Fläche variiert werden, um messbare Änderungen in der Konzentration des Austenits in der Fläche und dadurch eine Varianz in dem magnetischen Feld zu messen.
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Alternativ kann das Magnetmuster auf andere Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Induktionswärmebehandlung verwendet werden, um Teile der Oberfläche der Welle oder des Lagers zu erwärmen, und dadurch austenitische Regionen auszubilden.
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In anderen Ausführungsbeispielen kann die Welle oder das Lager erwärmt und dann abgeschreckt werden. Eine Mustermaske, die dem Magnetmuster entspricht, kann verwendet werden, um einen Teil der Welle oder der Lagerfläche vor dem Abschreckschritt abzudecken, um Bereiche mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften auszubilden.
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Alternativ kann die Welle oder das Lager karburiert oder dekarburiert werden. Eine Mustermaske, die dem Magnetmuster entspricht, kann verwendet werden, um einen Teil der Welle oder Lagerfläche vor dem Karburierungs- oder Dekarburierungsschritt abzudecken, um Regionen mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften auszubilden.
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Die vorstehende detaillierte Beschreibung ist im Sinne einer Erklärung und Darstellung abgegeben und ist nicht dazu gedacht, den Schutzbereich der anhängigen Ansprüche einzuschränken. Viele Variationen in den präsentierten bevorzugten Ausführungsbeispielen, die hier dargestellt sind, sind einem Fachmann offensichtlich, und bleiben innerhalb des Schutzbereichs der anhängigen Ansprüche und deren Äquivalenten.
