DE19512990C2 - Vibrationsmeßsystem für ein Wälzlager - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Vibrationsmeßsystem für Messungen an einem Wälzlager, das Vibrationen, d. h. Bewegungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungsänderungen und elastische Wellen eines Wälzlagers mißt.

Ein aus der DE 42 19 318 A1 und auch aus der DE 42 21 035 A1 bekanntes Vibrationsmeßsystem für Messungen an einem Wälzlager umfaßt eine Antriebsvorrichtung zum Rotieren eines äußeren oder inneren Rings des Wälzlagers, einen Vibrationsaufnehmer zum Feststellen der Vibrationen oder von elastischen Wellen (hiernach umfaßt der Ausdruck "Vibrationen" auch elastische Wellen) des äußeren oder inneren Rings und einen Frequenz­ wandler zum Analysieren des von dem Vibrationsaufnehmer festgestellten Signals.

Das Vibrationsmeßsystem analysiert die festgestellten Vibrationen, d. h. die Bewegungen, Geschwindigkeiten, Be­ schleunigungsänderungen und elastischen Wellen (AE-Signal) und überprüft zum Beispiel den Lagerring, der ein innerer oder äußerer Ring eines Wälzlagers ist, oder die Wälzflächen von Wälzelementen, d. h. die Rollen oder Ku­ geln, auf einen Mangel, auf Oberflächenrauhigkeit, Wellig­ keit, fehlerhafte Form, falsches Material usw. hin, und überwacht einen anomalen Zustand, der in einem Dauertest in dem Lager auftritt, usw.

Für ein Lager ohne Kontaktwinkel, wie etwa ein zylindri­ sches Rollenlager, ein Nadellager oder ein Wasserpumpenlager des Kugel- oder Rollentyps bringt das bekannte Vibra­ tionsmeßsystem eine radiale Last oder ein Moment auf einen äußeren Ring auf und beseitigt lokal das Spiel zwischen den Wälzelementen, wie etwa den Rollen, und dem Lagerring und treibt in diesem Zustand das Lager zum Durchführen der Vi­ brationsauswertung der Lagereinheit an. Für ein Lager mit einem Kontaktwinkel, wie etwa ein Kugellager, treibt das Vi­ brationsmeßsystem das Lager zum Durchführen der Vibrations­ auswertung der Lagereinheit in einem Zustand an, in dem ent­ sprechend den Dimensionen des Lagers eine axiale Last aufge­ prägt wird.

Jedoch ist das herkömmliche Wälzlager-Vibrationsmeßsy­ stem mit folgenden Problemen behaftet: Auch wenn eine Bela­ stungszone ohne Spiel zwischen den Wälzelementen und dem La­ gerring durch lokales Einprägen einer radialen oder Moment­ last auf den äußeren Ring eines solchen Wälzlagers ohne Kon­ taktwinkel erzeugt werden kann, wird eine unbelastete Zone, in der ein Spiel zwischen den Wälzelementen und dem Lager­ ring entsteht, in anderen Bereichen geformt. Wenn das Lager in diesem Zustand angetrieben wird, entsteht das Phänomen des sogenannten Rollenfallens, in dem das Wälzelement an der Grenze, wo sich das Wälzelement von der Lastzone zur unbelasteten Zone bewegt, mit dem Lagerring kollidiert, was das Auftreten einer Impulsvibration bewirkt. Fig. 8 zeigt einen Graph des gemessenen Vibrationssignals. Ein hohes Peaksignal i wird durch die Impulsvibration erzeugt und der auszuwertenden Information, wie etwa einem Rollenflächenmangel, überlagert. Hierdurch wird die Durchführung der Vibrationsauswertung des Lagers erschwert. Selbst wenn der Impuls relativ gering ist, erschweren Rollengleiten und weitere Effekte die Durchführung einer korrekten Auswertung.

Weiterhin muß bei dem herkömmlichen Vibrationsmeßsystem für eine Auswertung über den gesamten Umfang des festen Rings dieser Schritt für Schritt gedreht werden und die Lastzone verstellt werden. Hierdurch wird aber die gesamte Meßzeit verlängert. Das Vibrationsmeßsystem erfordert wegen der Wiederholung der Schritte des Rotierens des festen Rings und der anschließenden Durchführung der Messung eine komplizierte Steuerung.

Zudem wird zum Einbau eines Lagers mit einem Kontaktwinkel, beispielsweise eines Kugellagers, in eine Maschine zur Schlupfvermeidung während des Betriebs oft eine enge Passung verwendet. In einem solchen Zustand wird eine elastische Verformung am inneren oder äußeren Ring durchgeführt, wodurch der Kontaktwinkel abnimmt und die Laufposition des Wälzelements, beispielsweise eine Stahlkugel, zum Mittelpunkt der Vertiefung des Lagerrings verschoben wird. Die Differenz zwischen dem Kontaktwinkel während der Vibrationsauswertung der Lagereinheit und demjenigen während der praktischen Verwendung ist oft von Bedeutung. Bislang gibt es keine Möglichkeit dies meßtechnisch zu berücksichtigen.

Um dies zu ermöglichen, ist eine extrem genaue Bear­ beitung zum Anpassen der Dimensionen des eingesetzten Teils eines zu messenden Wälzlagers (der äußere Durchmesser eines Montageschafts, in den ein innerer Ring usw. eingesetzt wird, und der innere Durchmesser eines Gehäuses, auf das ein äußerer Ring aufgesetzt wird) an die vorgegebenen Dimensio­ nen erforderlich, so daß das Lagerspiel, wenn das Wälzlager eingesetzt wird, einen vorgegebenen Wert erreicht (Null, wenn das Wälzlager keinen Kontaktwinkel hat, oder einen Spielabstand, um zu ermöglichen, daß der Kontakt­ winkel einen vorgegebenen Wert einnimmt, wenn eine vorgege­ bene axiale Last aufliegt, wenn das Rollenlager einen Kon­ taktwinkel hat). Auch wenn die vorgegebenen Dimensionen die­ selben sind, können die Dimensionen von einem Wälzlager zum nächsten variieren. Jedesmal, wenn der Meßgegenstand wech­ selt, muß das eingesetzte Teil diesem angepaßt werden. Wenn außerdem die Störung zu groß ist, tritt eine Verformung auf, die den Lagerring und die Wälzelementform usw. beeinflußt, und eine korrekte Auswertung kann möglicherweise nicht mehr durchgeführt werden.

Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt im Hinblick auf die vorstehenden Probleme in herkömmlichen Vibrations­ meßsystemen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Er­ findung, ein Vibrationsmeßsystem zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist, die Vibrationen eines Wälzlagers genau zu messen, wobei spiel- und verformungsbedingte Störeinflüsse unterdrückt werden sollen.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 definierte Vibrationsmeßsystem ge­ löst.

Das Vibrationsmeßsystem für ein Wälzlager nach der vor­ liegenden Erfindung treibt ein Wälzlager an, wobei das Wälz­ lager in das Halteelement eingesetzt ist, und bewirkt durch die Antriebsvorrichtung eine Rollbewegung der Wälzelemente relativ zum Lagerring und stellt die Vibrationen des Wälzla­ gers mittels der Vibrationsdetektionsvorrichtung fest. Zu diesem Zeitpunkt verformt das Vibrationsmeßsystem durch das Verformelement elastisch, radial und gleichmäßig das Haltee­ lement, in das das Wälzlager eingesetzt ist, stellt durch das Spieldetektionselement einen Zustandsbetrag fest, der den Paßzustand zwischen dem Wälzlager und dem Halteelement angibt, und ermöglicht durch das Verformungskontrollelement dem Verformungselement, das Halteelement elastisch zu ver­ formen, bis das Lagerspiel entsprechend dem Zustandsbetrag, der den festgestellten Paßzustand anzeigt, einen vorgegebe­ nen Wert erreicht.

Daher kann eine elastische Verformung des Lagerrings ra­ dial und gleichförmig erreicht werden, ohne den durch die elastische Verformung des Halteelements durch das Verfor­ mungselement verformten Lagerring außer Form zu bringen. Für den äußeren Ring schrumpft der Lagerring; für den inneren Ring erweitert er sich. Somit wird das Lagerspiel des in das Vibrationsmeßsystems eingebauten Wälzlagers auf einen vorge­ gebenen Abstand eingestellt.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Vibra­ tionsmeßsystem für ein Wälzlager nach einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 2 ist ein Querschnitt, der den Aufbau eines Klemm­ teils für einen äußeren Ring zeigt.

Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das einen Vibrationsmeßvor­ gang zum Steuern des Spannfutterdrucks zeigt.

Fig. 4 ist ein Graph der Änderung des Lagerdrehmoments in Abhängigkeit vom Spannfutterdruck.

Fig. 5 ist ein Querschnitt, der den mechanischen Aufbau eines Vibrationsmeßsystems nach einem zweiten Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 6 ist ein Querschnitt, der den Aufbau eines Kugel­ lagers 52 zeigt.

Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, das einen Vibrationsmeßvor­ gang nach dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 8 ist ein Graph des in einem Zustand, in dem ein Lagerspiel existiert, gemessenen Vibrationssignals.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindungen im Detail beschreiben.

Erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Vibra­ tionsmeßsystem nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Vibrationsmeßsystem 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel umfaßt eines bekanntes Spann­ futter 5 des Schrumpftyps als Halteelement, eine Spindel 14 und einen Servomotor 16 als hauptsächliche mechanische Ele­ mente. Das Spannfutter 5 hält ein zu messendes Rollenlager 2, und ein an der Spitze der Spindel 14 befestigter Anker 13 ist an einen inneren Ring 3 des Rollenlagers 2 angebracht. Die Spindel 14 ist über eine Kupplung 15 mit einer Drehwelle des Servomotors 16 verbunden. Die Spindel 14 und der Servo­ motor 16 können sich axial durch einen Gleitmechanismus mit einer Kugelumlaufspindel usw. (nicht gezeigt) bewegen.

Eine Ringvertiefung 5b ist an einer inneren Fläche eines Außenringklemmteils 5a des Spannfutters 5 zum Halten des Rollenlagers 2 geformt. Fig. 2 ist ein Querschnitt, der den Aufbau des Außenringklemmteils 5a zeigt. Eine kreisförmige Ringschale 18, die dünn ist, ist in die Ringvertiefung 5b eingepaßt. Die Schale 18 ist in Kontakt mit einem äußeren Ring 4 des Rollenlagers 2 und wird in radialer Richtung bei Erhalt eines rückwärtigen Drucks von einem hiernach be­ schriebenen Hydrauliksystem 21 geschrumpft. Ein Verbindungs­ durchgang 5c, der die Ringvertiefung 5b und eine darüberlie­ gende Öffnung 5d verbindet, ist in dem Spannfutter 5 geformt und in einem öldichten Zustand gehalten. Das Hydrauliksystem 21 umfaßt einen Druckverstärker 23 aus einem Hydraulikzylin­ der, ein Servoventil 25, eine Hydraulikpumpe 27 und einen Hydraulikkontroller 29 und steuert den Öldruck, der mit der oberen Öffnung 5d des Spannfutters 5 in Verbindung steht.

Der Servomotor 16 ist ein Wechselstrommotor, der von ei­ nem Servokontroller 31 gesteuert wird und eine Drehwelle be­ sitzt, an der ein Rotationskodierer (nicht gezeigt) ange­ bracht ist. Der Servokontroller 31 erhält ein vorgegebenes Geschwindigkeitsbefehlssignal von einem Computer 35 und führt eine Positions-Rückkopplungssteuerung und eine Ge­ schwindigkeits-Rückkopplungssteuerung des Servomotors 16 in Abhängigkeit von einem Impulssignal des Rotationskodierers durch.

Ein Vibrationsaufnehmer 41 als Vibrationsdetektorelement ist an der äußeren Fläche des Außenringklemmteils 5a des Spannfutters 5 angebracht. Er stellt die Vibrationsausbrei­ tung in der radialen Richtung oder der axialen Richtung des äußeren Rings 4 fest und gibt ein Detektionssignal an einen Signalmeßabschnitt 45 aus, der aus einem Verstärkerabschnitt 44 und einem A/D-Wandler 51 besteht. Der Verstärkerabschnitt 44 umfaßt einen Verstärker und ein Tiefpaßfilter. Ein von dem Verstärkerabschnitt 44 verstärktes Signal wird zum A/D-Wandler 51 geschickt, der dann das Signal in ein digitales Signal umwandelt. Der Computer 35 führt auf der Basis des von dem A/D-Wandler 51 erhaltenen digitalen Signals eine Frequenzanalyse der Vibration durch.

Als nächstes wird der Meßvorgang des Wälzlager-Vibrati­ onsmeßsystems nach diesem Ausführungsbeispiel diskutiert. Vor dem Beginn der Messung wird die Spindel durch den Gleit­ mechanismus eingefahren, das zu messende Rollenlager 2 wird in die Innenseite des Außenringklemmteils 5a des Spannfut­ ters 5 eingesetzt, um den an der Spitze der Spindel 14 mon­ tierten Anker in den inneren Ring 3 des Rollenlagers 2 ein­ zusetzen.

Um das Lagerspiel des Rollenlagers 2 auf null zu brin­ gen, wird das hydraulische System 21 zum Schrumpfen der Schale 18 betrieben. Der Schrumpfbetrag der Schale 18 wird bestimmt durch den Abstand zwischen der Schale 18 und dem äußeren Ring des Rollenlagers 2 und dem Lagerspiel des La­ gers 2. Der zum Schrumpfen der Schale 18 notwendige Druck wird aus der Beziehung des radialen Bewegungsbetrags eines Zylinders auf äußeren Druck (oder inneren Druck) abgeleitet zum Beispiel durch eine FEM (Methode finiter Elemente) auf der Basis der elastischen Verformungstheorie für Zylinder (siehe zum Beispiel Kikai Kogaku Binran (Handbuch für Ma­ schinenbauingenieure), Teil 4, Zairyo Rikigaku (Mechanik von Materialien), S. 98). Da das Lagerspiel eine vorgegebene Verteilung hat und die Rollendimensionen von einem zum ande­ ren Lager variieren, hängt der Schalenschrumpfzustand, bei dem das Lagerspiel null erreicht, von dem Lager ab. Daher wird das Lagerspiel auf null gebracht und der Spannfutter­ druck (rückwärtiger Druck der Schale 18) muß so gesteuert werden, daß kein übermäßiger Flächendruck zwischen den Rol­ len und der Lagerringoberfläche entsteht.

Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das einen Vibrationsmeßvor­ gang zum Steuern des Spannfutterdrucks zeigt. Der Vibrati­ onsmeßvorgng wird vom Computer 35 ausgeführt. Zunächst gibt der Computer 35 in Schritt S1 ein Startsignal für das schrumpfen des äußeren Rings an das hydraulische System 21 aus und klemmt den äußeren Ring 4 in Schritt S2 leicht ein. Wenn der äußere Ring 4 so gehalten wird, daß ein Gleiten verhindert wird, wird der Servomotor 16 in den Schritten S3 und S4 auf eine vorgegebene Rotationsgeschwindigkeit gestar­ tet. Als nächstes gibt der Computer 35 in den Schritten S5 und S6 ein Druckverstärkungssignal an das hydraulische Sy­ stem 21 aus, um den Spannfutterdruck schrittweise zu erhö­ hen. Dann ändert sich das Drehmoment des Lagers.

Fig. 4 ist ein Graph der Lagerdrehmomentänderung in Ab­ hängigkeit vom Spannfutterdruck. Wenn der Spannfutterdruck zwischen a und b liegt, befindet sich das Rollenlager in ei­ nem Zustand mit Spiel und das Lagerdrehmoment ist hauptsäch­ lich viskoser Widerstand von Schmiermittel. Wenn der Spann­ futterdruck ansteigt und der Kontakt zwischen den Rollen und dem Lagerring bei Punkt b beginnt, nimmt das Drehmoment schnell zu. Wenn der Punkt c überschritten wird, nimmt die Zunahme des Lagerdrehmoments schnell ab. Daher kann angenom­ men werden, daß am Punkt c fast alle Rollen in Kontakt mit dem Lagerring gekommen sind. Der Spannfutterdruck wird in Schritt S7 am Punkt c gehalten, die Vibration des Rollenlagers 2 wird von dem Vibrationsaufnehmer 41 festge­ stellt und eine bekannte Signalverarbeitung wird in Schritt S8 durchgeführt. In den Schritten S5 und S6 kann das Lager­ drehmoment durch Überwachen des Läuferstroms des Servomotors 16 herausgefunden werden. Da wie bekannt der durch den Läu­ fer fließende elektrische Strom dem Drehmoment der Last ent­ spricht, wird zunächst ein Proportionalitätsfaktor zum Be­ rechnen des Werts des Lastdrehmoments aus dem Läuferstrom des Servomotors 16 bestimmt, und der Proportionalitätsfaktor wird in einem Speicher des Computers 35 gespeichert. Dann multipliziert der Computer 35 den von dem Servokontroller 31 eingegebenen Läuferstrom mit dem in dem Speicher gespeicher­ ten Proportionalitätsfaktor, so daß das Lastdrehmoment be­ rechnet wird. Der Computer 35 speichert den Läuferstrom, der kontinuierlich bei jedem Abtastzyklus, der in ausreichendem Maße kleiner als die Geschwindigkeit der Druckzunahme des Spannfutters und ausreichend für die oben diskutierte Be­ rechnung und die Durchführung der Drehmomentdetektion ist, eingegeben wird. Der Computer 35 wiederholt die Berechnung bei jedem Abtastzyklus. Die Feststellung, ob der Punkt c überschritten wurde, wird zum Beispiel ausgeführt, indem festgestellt wird, ob ein vorgegebener Drehmomentwert, zum Beispiel einem Drehmomentwert, der einem Punkt zwischen den in Fig. 4 gezeigten Punkten b und c und nahe zum Punkt c liegt, entspricht, überschritten ist, oder indem die Ände­ rung der Differenz zum zuvor berechneten Wert beobachtet wird. Beim Beenden der Messung wird in Schritt S9 der An­ trieb des Servomotors 16 gestoppt, der Spannfutterdruck wird in Schritt S10 gelöst, und der Vorgang wird beendet.

In dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Zustandsbe­ trag, der den Paßzustand des Wälzlagers angibt, das Lager­ drehmoment, und der vorgegebene Wert des Lagerspielbetrags im Paßzustand ist null.

Das Vibrationsmeßsystem 1 dieses Ausführungsbeispiels kann ein sogenanntes Rollenfallen verhindern, bei dem die Rolle mit dem Lagerring zusammenstößt, und eine korrekte Vi­ brationsauswertung ermöglichen.

Zweites Ausführungsbeispiel

Als nächstes wird ein Vibrationsmeßsystem für ein Wälz­ lager nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung diskutiert. Fig. 5 ist ein Querschnitt, der den mechanischen Aufbau des Vibrationsmeßsystems nach dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt. Das Vibrationsmeßsystem 51 des zweiten Ausführungsbeispiels mißt Vibrationen von Ku­ gellagern statt von Rollenlagern, deren Vibrationen im er­ sten Ausführungsbeispiel gemessen werden. Fig. 6 ist ein Querschnitt, der den Aufbau eines Kugellagers 52 zeigt. Das Kugellager 52 ist ein Typ von Wälzlager mit einem Kontakt­ winkel α und besitzt einen äußeren Ring 53, einen inneren Ring 55 und eine Mehrzahl von Kugeln als Wälzelement zwi­ schen einer Spur 53a des äußeren Rings 53 und einer Spur 55a des inneren Rings 55. Das Vibrationsmeßsystem 51 umfaßt eine Spindel 67, eine Außenringpreßvorrichtung 84, einen Druck­ verstärker 86 und einen Servomotor 69 als mechanische Ele­ mente.

Ein zulaufendes Loch ist in der Mitte einer Endfläche der Spindel 67 geformt, und ein Anker 66 ist in das Loch eingesetzt. Der Anker 66, der ein Element eines bekann­ ten Spannfutters des Expansionstyps bildet, ist in den inne­ ren Ring 55 des Kugellagers 52 eingesetzt. Als Lagerstruktur 78 zum rotierenden Halten der Spindel 67 kann jede Struktur verwendet werden, wenn sie keine Vibrationen bei der Rota­ tion der Spindel 67 erzeugt, wie etwa ein statisches Gas­ drucklager, ein Magnetlager oder ein supraleitendes Lager.

Eine Ringvertiefung 66b ist auf der Seite einer Spitze 66a des Ankers 66 in Kontakt mit dem inneren Ring 55 des Ku­ gellagers 52 geformt, und eine Schale 74 ist an die Außen­ seite der Ringvertiefung 66b angepaßt. Ein Verbindungsdurch­ laß 66c für Öldruck zum Verformen der Schale 74 ist inner­ halb der Ringvertiefung 66b geformt, und ein Kolben 72 ist an der Rückseite der Verbindungsdurchlasses 66c angeordnet. Der Öldruck in dem Verbindungsdurchlaß 66c wird durch Pres­ sen des Kolbens 72 eingestellt. Der Druckverstärker 86 um­ faßt einen hydraulischen Zylinder 86a und ist an der Rück­ seite des Kolbens 72 angeordnet. Der hydraulische Zylinder 86a umfaßt einen Kolben 86d, der in einer Zylinderkammer 86c angeordnet ist, und erhält eine Zufuhr von Öldruck von einem Öldruckgenerator (nicht gezeigt) ähnlich dem in Fig. 1. Da­ her dehnt sich, wenn der Kolben von dem Druckverstärker 86 gedrückt wird, die Schale auf der Seite der Spitze 66a des Ankers 66, in den das Kugellager 52 eingesetzt ist, in radi­ aler Richtung aus. Bei Erhalt des Ausdehnungsdrucks der Schale 74 dehnt sich auch der innere Ring 55 des Kugellagers 52 in radialer Richtung aus, wodurch der Kontaktwinkel α verringert wird.

Die Spindel kann von dem Servomotor 69 rotiert werden, und ein Riemen 82 ist auf einem Antriebsrad 80 angeordnet, das an der Hinterseite der Spindel 67 befestigt ist, und ein Antriebsrad 81 ist an einer Ausgangswelle des Servomotors 69 befestigt. Wenn der Servomotor 69 angetrieben wird, rotiert die Spindel mit einer konstanten Geschwindigkeit von zum Beispiel etwa 1800 Umdrehungen pro Minute.

Die Außenringpreßvorrichtung 84 ist fest gegenüber der Endoberfläche des äußeren Rings 53 des Kugellagers 52, das von dem Anker 66 gehalten wird, angeordnet. Sie besitzt einen Druckzylinder 84a, ein Schwinggelenk 84b und einen Preßring 84c. Das Basisende einer Stange 84e ist an dem Preßkolben 84d, der in den Preßzylinder 84a eingepaßt ist, befestigt, und das Schwinggelenk 84b ist mit der Spitze der Stange 84e verbunden. Das Schwinggelenk 84b ermöglicht eine Schwingbewegung von zwei Plattenteilen 84f und 84g durch Einklemmen einer Kugel 84h zwischen die Plattenteile 84f und 84g.

Der Preßring 84c wird über einen Puffer 84i auf der Seite eines Plattenteils 84 gegenüber dem Kugellager 52 ge­ halten. Wenn eine Preßflüssigkeit in die Zylinderkammer 84j des Preßzylinders 84 gefüllt wird, wird der Preßring 84c ge­ gen die Endoberfläche des äußeren Rings 53 des Kugellagers 52 gepreßt, wodurch der äußere Ring 53 axial gepreßt wird. Wenn der innere Ring 55 rotiert, wenn der Servomotor 69 be­ trieben wird, verhindert das Pressen ein Rotieren des äuße­ ren Ringes 53 und legt einen vorgegebenen axialen Druck an das Kugellager 52 an.

Während des Pressens besitzt das Schwinggelenk 84b die Rolle des Pressens des Preßrings 84 gegen die Endoberfläche des äußeren Rings 53 über die gesamte Peripherie mit einer gleichförmigen Kraft. Der Puffer 84i verhindert, daß Vibra­ tionen, die im Preßzylinder 84a oder dem Schwinggelenk 84b auftreten, sich zum äußeren Ring 53 ausbreiten. Als Vorrich­ tung zum axialen Pressen des Preßrings 84c kann ein anderer Mechanismus, wie etwa ein Elektromagnet, anstelle des Preß­ zylinders verwendet werden.

Ein Fühler 83a des Vibrationsaufnehmers 83 stößt gegen die äußere periphere Oberfläche des äußeren Rings 53. Der Vibrationsaufnehmer 83 mißt die sich in radialer Richtung ausbreitende Vibration des äußeren Rings 53. Nur die mecha­ nischen Elemente des Vibrationsmeßsystems 51 sind in Fig. 5 gezeigt. Ein Signalmeßabschnitt zum Messen des Ausgangssi­ gnals des Vibrationsaufnehmers 83, ein hydraulisches System zum Antreiben des Hydraulikzylinders 86a und des Druckzylin­ ders 84a und ein Servokontroller zum Antreiben des Servomo­ tors 69 sind ähnlich denen, die im ersten Ausführungsbei­ spiel diskutiert wurden und werden daher hier nicht noch einmal diskutiert.

Als nächstes wird der Meßvorgang des Vibrationsmeßsy­ stems 51 diskutiert. Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, das einen Vibrationsmeßablauf nach dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt. Der Vibrationsmeßablauf wird von einem Computer (nicht gezeigt) ähnlich dem des ersten Ausführungsbeispiels durchgeführt.

Zunächst wird die Außenringpreßvorrichtung 84 angetrie­ ben, um den äußeren Ring 53 des Kugellagers 52 in Schritt S11 über den Puffer 84i und den vibrationsisolierten Preß­ ring 84c axial unter Druck zu setzen. Dann wird in Schritt S12 der Servomotor 69 zum Rotieren des inneren Rings 55 des Kugellagers 52 angetrieben. Vibrationen in der radialen Richtung des äußeren Rings 53, die mit der Rotation des Ku­ gellagers 52 auftreten, werden in Schritt S13 von dem Vibra­ tionsaufnehmer 83 festgestellt. Der Kontaktwinkel α wird in Schritt S14 basierend auf dem gemessenen Vibrationssignal berechnet. Der Kontaktwinkel α wird mittels eines bekannten Berechnungsverfahrens berechnet, das in der japanischen Pa­ tentoffenlegung Nr. Hei-4-364408 beschrieben ist. Demnach wird der Kontaktwinkel α entsprechend folgendem Ausdruck 1 berechnet:

α = cos^-1 [dm·{1-(2fc/fr)}/Da]

wobei Da der äußere Durchmesser einer Kugel 56 und dm die Revolutionstrajektorie der Kugel 56 ist. Daher sind die Werte von Da und dm vorgegebene Werte. fc und fr sind die Umdrehungsfrequenz der Kugel beziehungsweise die Rotations­ frequenz des inneren Rings 53. Sie werden von dem Computer (nicht gezeigt) aus folgenden Gründen berechnet:

Der Grund, warum die Umdrehungs- und Rotationsfrequenzen der Kugel 56 und des inneren Rings 55 gefunden werden ist der folgende: Die das Kugellager 52 bildenden Elemente sind extrem genau hergestellt, aber die Oberflächenform und die Dimensionen enthalten minimale Fehler. Zum Beispiel ist die Spur des äußeren Rings 53 sehr geringfügig exzentrisch be­ züglich ihres Rotationszentrums. Diese Exzentrizität bewirkt eine Vibration der Rotationsfrequenzkomponente. Die Rotati­ onsfrequenz des inneren Rings 55 kann durch Messen der Vi­ bration in der radialen Richtung des äußeren Rings 53 erhal­ ten werden. Die in dem Kugellager 52 geformten Kugeln 56 sollten denselben äußeren Durchmesser besitzen. Aber es ist aufgrund von Herstellungsfehlern schwierig, Kugeln mit dem­ selben Durchmesser herzustellen. Wenn sich Kugeln 56 mit ge­ ringfügig unterschiedlichen äußeren Durchmessern drehen, vi­ briert der äußere Ring 53 in der radialen Richtung. Die Fre­ quenz der Vibration enthält die Umdrehungsfrequenzkomponente der Kugeln 56. Daher kann, wenn die Vibrationsfrequenz ge­ funden wird, die Umdrehungsfrequenz der Kugeln 56 erhalten werden.

Wenn also, wie in der ungeprüften japanischen Patentof­ fenlegung Nr. Hei-4-364408 offengelegt ist, der rotierende Anker vollständig in den inneren Durchmesser des inneren Rings des Lagers eingesetzt ist, beginnt der innere Ring zu­ sammen mit dem Anker zu rotieren. Entsprechend der Rotation des inneren Rings beginnen die Wälzelemente, die in der Um­ fangsrichtung in gleichmäßigen Abständen von dem Halteele­ ment angeordnet sind, eine Drehung in der Rotationsrichtung des inneren Rings. Zu diesem Zeitpunkt kommt, während der äußere Ring immer noch nicht rotiert wird, der Vibrations­ aufnehmer in Kontakt mit der äußeren Umfangsfläche des äuße­ ren Rings, so daß die Vibration des Lagers in elektrische Signale umgewandelt wird. Die von dem Vibrationsaufnehmer festgestellte Vibration umfaßt basierend auf der Umdrehung einer Mehrzahl von Wälzelementen und entsprechend der Aus­ dehnung der Ringoberfläche des äußeren Rings eine Mischung von Vibrationen in der radialen Richtung, in einer Winkel­ richtung und in der axialen Richtung. Da diese Vibrations­ frequenzen mit dem Umdrehungszyklus der Wälzelemente und ei­ ner Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches der Umdre­ hungsfrequenz fc der Rollenelemente ist, zusammenfallen, kann die Umdrehungsfrequenz fc aus der Vibrationsfrequenz berechnet werden. Folglich kann die Umdrehungsfrequenz fc berechnet werden, wenn eine der Vibrationsfrequenzen in den drei Richtungen des äußeren oder des inneren Rings festge­ stellt wird. Da die Rotationsfrequenz fr (Umdrehungen/s : konstant) aus der Drehzahl des inneren Rings bekannt ist, kann das Verhältnis zwischen der Umdrehungsfrequenz fc und dem Kontaktwinkel α unter Verwendung der bekannten Faktoren dm und Da aus dem Ausdruck 1 berechnet werden. Mit anderen Worten wird die Umdrehungsfrequenz fc aus einem der Vibrati­ onssignale in den drei Richtungen, die von dem Vibrations­ aufnehmer festgestellt werden, berechnet, und der Kontakt­ winkel α wird aus dem Ausdruck 1 bestimmt, in dem fc/fr ver­ wendet wird.

Die Druckverformung der Schale 74 wird durch den Druck­ verstärker 86 gesteuert, der den Kolben 72 preßt, bis in den Schritten S15 bis S17 der berechnete Kontaktwinkel α gleich einem vorgegebenen Kontaktwinkel αA wird. Wenn α gleich αA wird, wird der Druck gehalten, um die Ausdehnung des inneren Rings 55 beizubehalten. Mit dem ausgedehnten inneren Ring 55 wird die radiale oder axiale Vibration des äußeren Rings 53 des Kugellagers 52 festgestellt, und Mängel oder Fehler in der Form usw., die in dem Lagerring oder dem Stahlkugellauf­ pfad vorhanden sind, werden in Schritt S18 festgestellt.

In einem Fall, in dem es nicht notwendig ist, den Wert der axialen Last auf einen vorgegebenen Wert einzustellen, wird die Druckkraft der Außenringpreßvorrichtung 84 kontrol­ liert, und der Kontaktwinkel α wird auf einen vorgegebenen Wert eingestellt. Das bedeutet, daß zunächst durch den Druckverstärker 86 das Lager in einen Paßzustand gebracht wird und als nächstes festgestellt wird, ob der Kontaktwin­ kel gleich αA wird, während die Druckkraft der Außenring­ preßvorrichtung 84 erhöht wird. Beide Vorgänge können nach Bedarf durchgeführt werden.

Somit kann das Vibrationsmeßsystem 51 nach diesem Aus­ führungsbeispiel die Vibrationen einer Kugellagereinheit un­ ter Bedingungen auswerten, die dem tatsächlichen Benutzungs­ zustand entsprechen.

In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Zustandsbe­ trag, der den Paßzustand des Wälzlagers angibt, die Rotati­ onsfrequenz des inneren Rings und die Umdrehungsfrequenz der Kugeln und der Kontaktwinkel, der aus diesen Frequenzen be­ rechnet wird, und ein vorgegebener Wert des Lagerspielbe­ trags im Paßzustand ist ein einziger Spielbetrag, der dem Fall entspricht, in dem der Kontaktwinkel unter einem vorge­ gebenen axialen Druck ein vorgegebener Wert ist.

In den Ausführungsbeispielen kann zum Beispiel ein AE-Sensor, eine piezoelektrische Vorrichtung, ein optischer Be­ wegungsmesser, ein Geschwindigkeitsmesser, ein Beschleuni­ gungsmesser oder dergleichen als Vibrationsdetektionsvor­ richtung verwendet werden. Eine Mehrzahl von Vorrichtung können angebracht sein. Sie können an symmetrischen Position des äußeren Rings montiert sein, und ein gemeinsames Rausch­ signal, das nicht von Vibrationen stammt, kann zum Erhöhen der Detektionsgenauigkeit abgezogen werden. Die Vibrations­ detektionsvorrichtung kann an der Seite des Lagerrings ange­ bracht sein, um axiale Vibrationen festzustellen. Weiterhin wird in den Ausführungsbeispielen ein hydraulisches System verwendet, um den äußeren Ring zu schrumpfen oder den inne­ ren Ring auszudehnen, aber es kann auch eine Spannzange an­ stelle eines hydraulischen Systems verwendet werden.

Auch wenn zylindrische Rollenlager in dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel gemessen werden, können Lager jedes anderen Typs gemessen werden, wenn es sich um Wälzlager ohne Kon­ taktwinkel handelt. Zum Beispiel können Nadellager ohne in­ neren Ring gemessen werden. Weiterhin ist die Verformungs­ vorrichtung in dem ersten Ausführungsbeispiel in dem Gehäuse angeordnet, aber es kann beispielsweise auch eine Vorrich­ tung zum Ausdehnen des äußeren Durchmessers des Ankers wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein. Auch wenn der innere Ring angetrieben wird, wobei der innere Ring fest ist, kann auch der äußere Ring angetrieben werden, um die Vibrationen des inneren Rings zu messen.

Auch wenn winkelförmige Kugellager in dem zweiten Aus­ führungsbeispiel gemessen werden, können Wälzlager jedes belie­ bigen Typs gemessen werden, wenn sie Lager mit einem Kon­ taktwinkel sind. Zum Beispiel ist das Vibrationssystem zu­ sätzlich zu Kugellagern, wie etwa Kugellagern mit tiefen Vertiefungen, auch anwendbar auf spitz zulaufende Rollenla­ ger usw. Wenn der äußere Ring in das Gehäuse eingesetzt ist, kann die Verformungsvorrichtung in dem Gehäuse angeordnet sein. Zusätzlich können Änderungen ähnlich denen im ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt werden.

Weiterhin kann der Zustandsbetrag, der den Paßzustand angibt, auch anders als nach dem Ausführungsbeispiel, nämlich zum Beispiel unter Verwendung eines Dehnungsmeßgeräts, festgestellt werden.

Im allgemeinen ist eine Verformungssteuer- bzw. Kontrollvorrichtung, die in der Lage ist, eine Verformung über das Halteelement so zu steuern, daß das Lagerspiel des zu messenden Wälzlagers mit dem in das Vibrationsmeßsystem eingesetzten Lager einen vorgegebe­ nen Wert erreicht, für die vorliegende Erfindung geeignet.

Das Vibrationsmeßsystem für ein Wälzlager nach der vor­ liegenden Erfindung führt eine elastische, radiale Verfor­ mung des Lagerrings aus, ohne den Lagerring zu verformen, und stellt das Lagerspiel des Wälzlagers auf einen vorgege­ benen Wert ein. In diesem Zustand treibt es das Wälzlager durch eine Antriebsvorrichtung an und stellt Vibrationen des Wälzlagers durch eine Vibrationsdetektionsvorrichtung fest, so daß es Vibrationen des Wälzlagers genau messen kann.

Somit kann bei Lagern ohne Kontaktwinkel, wie etwa bei zylindrischen Rollenlagern, eine Lastzone über den gesamten Umfang des Lagerrings geformt werden, und alle Wälzelemente können ohne Spiel in zuverlässigem Kontakt mit dem Lagerring sein. Als Ergebnis tritt kein Schlag auf, der durch das so­ genannte Rollenfallphänomen verursacht wird, und Defekte, wie etwa Mängel oder falsches Material, innerhalb der Rol­ loberfläche zwischen den Spuren der äußeren und inneren Ringe, wo die Wälzelemente rollen, können genau festgestellt werden.

Außerdem ändert sich der Kontakt zwischen den Wälzele­ menten und dem Lagerring von einem lokalen Kontakt zu einem vollen peripheren Kontakt, wodurch Defekte an der Kontakt­ fläche zwischen dem Lagerring und den Wälzelementen zuver­ lässig festgestellt werden können, und die Auswertung über den gesamten Umfang eines festen Rings wird durch eine Mes­ sung ermöglicht. Daher kann die Meßzeit verkürzt werden, und die Steuerungskonfiguration kann im Vergleich zu einem Fall, in dem der feste Ring rotiert wird, um die Lastzone zu bewe­ gen, und die Messung wiederholt wird, vereinfacht werden.

Bei Lagern mit einem Kontaktwinkel, wie etwa bei Kugel­ lagern, kann der Kontaktwinkel des Lagers zum Meßzeitpunkt an den Kontaktwinkel im Einpaßzustand eines tatsächlich ver­ wendeten Lager angepaßt werden. Somit kann eine Vibrations­ auswertung eines Lagers entsprechend seinem tatsächlich Ver­ wendungszustand durchgeführt werden.

Claims (4)

1. Vibrationsmeßsystem (1, 51) für Messungen an einem Wälzlager (2, 52) mit
einer Haltevorrichtung (5) mit einem Halteelement (18; 74) zum Halten durch Einpassen eines einen inneren Ring (3), eine Mehrzahl von Wälzelementen und einen äußeren Ring (4) enthaltenden zu vermessenden Wälzlagers;
einer Antriebsvorrichtung (14, 15, 16) zum Antreiben jeweils nur eines der beiden Ringe des Wälzlagers, das in die Haltevorrichtung eingesetzt ist;
einem Vibrationsaufnehmer (41) zum Feststellen der Vibrationen des Wälzlagers;
einer Verformvorrichtung (21, 23, 25, 27, 29) zum elastischen, gleichmäßigen, radialen Verformen des Halteelements (18; 74), in das das Wälzlager eingesetzt ist, wodurch der innere oder der äußere Ring des Wälzlagers radial zu den Wälzelementen ge­ preßt wird;
einer Spieldetektionsvorrichtung zum Feststellen eines Lagerspiels des Wälzlagers in einem Paßzustand zwischen dem Wälzlager und dem Halteelement (18; 74) und mit
einer Verformungssteuervorrichtung, die ermöglicht, daß die Verformvorrichtung solange arbeitet, bis der Betrag des Lagerspiels, der von der Spieldetektionsvorrichtung festgestellt wird, einen vorgegebenen Wert er­ reicht.

2. Vibrationsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformvorrichtung über das Halteelement (18; 74) den äußeren Ring des Wälzlagers radial nach innen schrumpft bzw. den inneren Ring des Lagers nach außen dehnt.

3. Vibrationsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spieldetektionsvorrichtung eine Drehmomentdetektionsvorrichtung in dem Falle, in dem das Wälzlager ein Lager ohne Kontaktwinkel ist, bzw. eine Vibra­ tionsdetektionsvorrichtung in dem Falle, in dem das Wälzlager ein Lager mit einem Kontaktwinkel ist, aufweist, um sowohl die Umdre­ hungsfrequenz der Wälzelemente, die von der Antriebsvorrich­ tung angetrieben werden, als auch die Rotationsfrequenz einer Spur des Wälzlagers zu berechnen.

4. Vibrationsmeßsystem nach Anspruch 1 für ein Wälzlager mit einem Kontaktwinkel, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungssteuervorrichtung eine Außenringpreßvorrichtung (84) zum Anlegen eines axialen Drucks an das Wälzlager, bis das Lagerspiel einen vorgegebenen Wert erreicht, umfaßt.