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Technisches Umfeld
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Die Erfindung betrifft einen Lagerring mit einem länglichen Sensorelement, das entlang zumindest einem Teil einer Fläche des Lagerrings verläuft, wobei die Verbindung zwischen dem Sensorelement und dem Lagerring durch ein metallisches Material etabliert wird, wobei das metallische Material durch ein Materialbonden mit dem Lagerring genauso wie mit dem Sensorelement verbunden ist.
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Hintergrund
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Es ist bekannt, einen Lagerring mit einem Glasfaserelement auszustatten, um die Messung von verschiedenen physikalischen Parametern zu ermöglichen. Dadurch wird eine Überwachung von Parametern möglich, indem ein Faser-Bragg-Gitter(FBG)-Verfahren verwendet wird. Durch dieses Verfahren können Temperaturen genauso wie Belastungen der Maschinenanordnung überwacht werden.
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Dafür ist es nötig, eine Glasfaser mit der Komponente zu verbinden. Zum Überwachen der Temperaturen ist es essentiell, dass eine thermische Kopplung zwischen der Glasfaser und der Maschinenanordnung etabliert ist. Zum Überwachen von Belastungen ist es nötig, die Glasfaser fest mit der zu überwachenden Komponente zu verbinden.
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Insbesondere im letzteren Fall entstehen Probleme, da die Glasfaser normalerweise mit mehreren koaxial angeordneten Deckschichten ausgestattet ist. Eine typische Ausgestaltung umfasst eine Verkleidung, die um die Glasfaser (Kern) selbst angeordnet ist; die Verkleidung ist mit einer Deckschicht beschichtet. Dann werden verstärkende Fasern (beispielsweise aus Aramid hergestellt) an dem äußeren Umfang der Beschichtung angeordnet. Zum Schluss werden die Verstärkungsfasern durch einen hohlzylindrischen Kabelmantel ummantelt.
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Wenn ein Glasfaserelement dieser Art mit der Komponente verbunden ist, ist eine bestimmte Elastizität zwischen dem Glaskern und der Komponente immanent. Demensprechend ist insbesondere die Messung der Belastungen aufgrund der Elastizität problematisch. Dies ist insbesondere ein Problem, wenn die Komponente nicht eben oder flach ist, sondern eine ballige Form hat. Dies ist üblicherweise der Fall bei Lagerringen, insbesondere eines Wälzlagers.
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Ein anderes Problem tritt auf, wenn der Lagerring nur kleine Abmessungen hat. In diesem Fall entfernt das maschinelle Herstellen der Nuten für das Einbetten der Glasfaser in den Lagerring oftmals sehr viel Stahl und bewirkt eine signifikante Reduktion in der Lagersteifheit und Stärke. Kleine Lagerringe mit entsprechenden Nuten können leicht beschädigt werden und haben deshalb eine kurze Lebensdauer.
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Auch ein Hochtemperaturbonden der Glasfasern zum Ausführen des Faser-Bragg-Gitter-Verfahrens ist immer herausfordernd. Üblicher Polymer-Kleber erfüllt nicht die Erfordernisse, die für eine genaue Messung der Temperaturen erforderlich sind.
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Letztendlich ist auch der Einbau und die Haltbarkeit der Lager bei einem Einbau und nach einem Einbau oft ein Problem.
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Es gibt kein bis jetzt bekanntes Design, das die genannten Probleme löst. Verbindungsverfahren sind bekannt für kleine Lager, aber die Verbindung der Glasfaser an den Lagerring schützt eher nur vor Öl und Fett als eine robuste Integration und Hochtemperaturanwendungen bereitzustellen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Lagerring der oben genannten Art vorzuschlagen, der derart ausgestaltet ist, dass ein Kontakt zwischen dem Glasfaserkern und der Komponente etabliert wird, der eine ausreichende Steifheit hat, aber die die mechanische Stärke des Lagerrings nur minimal beeinflusst. Demnach sollte eine genaue Messung der Belastungen möglich werden, während die mechanische Steifheit des Lagerrings nicht signifikant reduziert ist. Somit sollte eine hohe Lebensdauer des Lagerrings beibehalten werden.
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Eine Lösung gemäß der Erfindung ist darin charakterisiert, dass das Sensorelement in einer Nut angeordnet ist, die maschinell in dem Lagerring ausgebildet ist, wobei sich die Nut von der Oberfläche des Lagerrings erstreckt, wobei das metallische Material einen flachen metallischen Streifen aufweist oder mit diesem verbunden ist, und wobei der flache metallische Streifen an oder in der Fläche des Lagerrings angeordnet ist und die Nut bedeckt.
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Vorzugsweise ist das Sensorelement an oder in einer äußeren zylindrischen Fläche des Lagerrings angeordnet.
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Vorzugsweise ist das Sensorelement eine Glasfaser oder weist eine solche auf.
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Das metallische Material zum Verbinden des Sensorelements mit dem Lagerring und der flache metallische Streifen sind vorzugsweise einstückig ausgebildet. Das metallische Material kann rund um das Sensorelement herum angeordnet sein. Es kann das Sensorelement umhüllen und besteht aus mindestens zwei unterschiedlichen Schichten. Eine äußere Schicht kann aus Stahl bestehen, insbesondere aus Edelstahl. Eine innere Schicht kann aus Nickel bestehen.
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Das metallische Material kann in der Nut mittels eines Klebstoffs befestigt sein. In diesem Fall kann der Klebstoff ein keramischer Kleber oder ein Hochtemperaturkleber sein.
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Das metallische Material kann in der Nut mittels eines Lötmaterials, insbesondere mittels eines Vakuum-Lötmaterials befestigt sein.
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Noch eine weitere Möglichkeit hat sich als ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für den Zusammenbau der Anordnung bewiesen: Die Nut zum Aufnehmen des Sensorelements kann maschinell leicht mit einer engen Bemaßung für die Aufnahme des Sensors hergestellt sein. Vor dem Einbetten der Sensorhülle in die Nut kann das Lager zuerst erwärmt werden, um die Nutabmessung zu vergrößern; währenddessen kann die Sensorhülle entweder auf Raumtemperatur sein oder sogar heruntergekühlt (gefroren) werden, um in der Abmessung zu schrumpfen. Dadurch kann ein leichter Zusammenbau erreicht werden, wenn die Sensorhülle in die Lagernut eingesetzt wird. Wenn das zusammengebaute Lager auf Raumtemperatur zurückkehrt oder auf die gleiche hohe Temperatur erhöht wird, kann der Zusammenbau eng aneinander befestigt sein.
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Der flache metallische Streifen kann eine Oberfläche haben, die bündig ist mit der Oberfläche des Lagerrings; dieses gilt auch in dem Fall, dass der flache metallische Streifen zusätzlich durch eine Folie (das heißt aus einem Edelstahl hergestellt) bedeckt ist.
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Der flache metallische Streifen kann alternativ aus der Oberfläche des Lagerrings mit einer vorgegebenen Höhe hervorstehen.
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Der flache metallische Streifen kann mit dem Lagerring mittels Materialbondens verbunden sein. In diesem Fall schlägt ein speziell bevorzugtes Ausführungsbeispiel vor, dass der flache metallische Streifen mit dem Lagerring durch Schweißen, insbesondere Punktschweißen, verbunden ist.
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Gemäß der Erfindung ist der Sensor, insbesondere ein optischer Sensor/Glasfasersensor (FBG-Sensor), indirekt in den Lagerring eingebettet.
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Die Erfindung stellt eine effiziente Lösung für kleinformatige Lagerringe oder Hochtemperaturanwendungen bereit, und garantiert eine Robustheit der Befestigung der Glasfasersensoren während des Lagereinbauprozesses.
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Vorzugsweise sind raue Umgebungsbedingungen der Lageranwendung wie beispielsweise unter Wasser, als Windrad, in einer Hochtemperaturstahlherstellung, etc. aufgrund des vorgeschlagenen Designkonzepts nicht problematisch.
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Es ist außerdem ein Vorteil, dass bereits eine Miniaturnut an dem Lagerring ausreichend ist, um den Sensor anzuordnen; diese Nut ist maschinell in den Lagerring für den Einbau des Sensors eingearbeitet.
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Im Falle der Messung von Temperaturen kann der Sensor in die Nut geklebt werden, indem ein Spezialkleber (beispielsweise keramischer Kleber oder Hochtemperaturkleber) verwendet wird, oder indem eine Lötverbindungstechnologie (wie beispielsweise Vakuumlöten) verwendet wird. Demnach ist der Sensor materialbondieret in der Nut.
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Die Sensoranordnung hat eine umgekehrte/auf den Kopf gestellte Ausgestaltung wie ein Omega (Ω) aufgrund des Metallstreifens (siehe unten 2). Der metallische Streifen ist vorzugsweise als eine dünne Edelstahlscheibe ausgebildet; dieses Design erlaubt eine perfekte Passform/Einpassung in die Miniaturnut in der Außenfläche des Lagerrings.
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Im Fall von einer Messung von Dehnbelastungen mittels des Fasersensors ist es vorteilhaft, dass der Sensor innerhalb und gleichmäßig zentriert in der Omega-Struktur des Sensorelements (siehe ebenfalls unten 2) eingebettet ist.
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Es ist auch möglich, den ebenen metallischen Streifen mit einem Stück Folie (vorzugsweise ebenfalls aus Edelstahl hergestellt) zu bedecken, sodass die Sensorstruktur bedeckt und geschützt ist.
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Zwei Seitenflächen des Metallstreifens (die „Füße“ des „Omegas“) können an den zwei lateralen Seiten der Miniaturnut punktgeschweißt (oder durch alternative Schweißtechniken befestigt) sein.
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Die nackten Fasern außerhalb des Sensorbereichs können durch ein Epoxidpackmaterial oder alternativ durch ein Hochtemperaturmaterial, wie beispielsweise keramische Litzen bedeckt sein, um die Faser zu schützen.
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Der beschriebene Lagerring mit der integrierten Sensorstruktur kann eng in ein Gehäuse eingepasst sein. Ein kleines Spiel (manchmal negatives Spiel, das heißt eine Presspassung) kann verwendet werden, um das Sensorfaserbonden zu sichern, und auch als eine effiziente Struktur für die Haltbarkeit nach dem Einbau.
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Ein wichtiger Vorteil der vorgeschlagenen Struktur ist, dass ein signifikanter Beitrag durch das Konzept gemäß der Erfindung hinsichtlich der Lebensdauer des Lagers und seiner Stärke geleistet wird. Dies ist besondere, aber nicht ausschließlich, wichtig im Fall von kleinformatigen Lagern. Die Integration des Sensors führt zu weniger Beschädigungen der Lagerstuktur / Einflüssen auf die Lagerstruktur und eine Lebensdauerhaltbarkeit.
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Ein anderer Vorteil ist der Beitrag zur Dehnbelastungsübertragung von der Dehnbelastung in dem Lagerring auf den optischen Fasersensor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt eine radiale Querschnittsansicht durch ein Wälzlager, und
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2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bereichs „X“ gemäß 1.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In den Figuren ist ein Wälzlager 9 gezeigt, das in dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ein Rillenkugellager (natürlich sind andere Arten von Lagern ebenfalls möglich) ist, und das einen äußeren Lagerring 1, einen inneren Lagerring 7 und Wälzkörper 8, die zwischen den Lagerringen 1 und 7 angeordnet sind, aufweist.
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In dem äußeren Lagerring
1 und genauer gesagt in seiner radialen äußeren Fläche
3 ist ein Sensorelement
2 angebracht. Das Sensorelement
2 ist eine Glasfaser und ermöglicht die Messung von Belastungen in dem Lagerring
1. Die Überwachung dieser Belastungen wird durch ein Faser-Bragg-Gitter(FBG)-Verfahren oder durch ein chemisches Zusammensetzung-Rasterungs(CCG)-Verfahren ausgeführt, die an sich bekannt sind. Bezug genommen wird beispielsweise auf die
US 6,923,048 B2 , in der diese Technologie genauer erklärt ist.
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Für die Befestigung der Glasfaser 2 in oder an dem Lagerring 1 ist maschinell eine kleine Nut 5 in der äußeren Fläche 3 des Lagerrings 1 hergestellt, die sich rund um den gesamten Umfang des Lagerrings 1 erstreckt. Das Sensorelement 2 zusammen mit seiner Verkleidung (siehe 2) wird dann in diese Nut gelegt und in selbiger befestigt, indem ein Klebstoff oder ein Lötmaterial verwendet wird. Das Klebstoff- oder Lötmaterial wird mit dem Bezugszeichen 12 in 2 bezeichnet.
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Das Sensorelement 2 mit seiner Verkleidung ist im Detail in 2 gezeigt. Die optische Glasfaser 2 als solche ist mit einer Faserhülle 10 verkleidet. Dann wird die Umhüllung 10 von einem metallischen Material 4 umhüllt. Dieses metallische Material 4 besteht aus zwei verschiedenen Metallschichten. Die erste äußere Schicht 4‘ ist aus Stahl hergestellt, die zweite innere Schicht 4‘‘ ist von der ersten Schicht 4‘ umhüllt und aus Nickel hergestellt.
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Gemäß einem wichtigen Aspekt ist das Material der ersten Schicht 4‘ dazu ausgebildet, einen metallischen Streifen 6 auszubilden. Wie in 2 zu sehen ist, passt die gesamte Sensoranordnung inklusive des Metallstreifens 6 in die Nut 5. Der Metallstreifen 6 selbst ist von einer Stahlfolie 11 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel bedeckt.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine bündige Oberfläche gegeben, das heißt die obere Fläche des Metallstreifens 6 und genauer gesagt die der Stahlfolie 11, sind mit der Oberfläche 3 des Lagerrings 1 bündig.
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Demnach ist das Lagerelement 2 fest in der Nut des Lagerrings 1 befestigt und kann in üblicher Weise, beispielsweise in einem Gehäuse angebracht werden. Wenn dies mittels einer Presspassung erfolgt, ist die Befestigung der Sensoranordnung weiter verbessert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lagerring (äußerer Lagerring)
- 2
- Sensorelement (Glasfaser; Faserkern)
- 3
- Oberfläche des Lagerrings
- 4
- metallisches Material
- 4‘
- erste Schicht des metallischen Materials
- 4‘‘
- zweite Schicht des metallischen Materials
- 5
- Nut
- 6
- metallischer Streifen
- 7
- Lagerring (innerer Lagerring)
- 8
- Wälzkörper
- 9
- Wälzlager
- 10
- Faserhülle
- 11
- Stahlfolie
- 12
- Klebstoff/Lötmaterial
