DE19522543A1 - Piezoelektrisches Film-Meßfühlersystem für Lager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Lagerfühlelemente und mehr im einzelnen einen piezoelektrischen Filmmeßfühler für ein Wälzlager zum Ermitteln und Voraussagen von Lagerschädigungen oder alternativ zum Ermitteln der Drehzahl eines Lagers.

Eine vorbekannte Art zum Ermitteln von Fehlern und Defekten in einem Wälzlager umfaßt das Entfernen des Lagers aus seiner Arbeitsumgebung und Wiedermontieren des Lagers in einem Prüf­ gerät, welches zum Ermitteln periodischer Vibrationssignale instrumentiert ist, die durch Defekte in dem Lager erzeugt werden, wenn es gedreht wird. Typisch werden geschwindig­ keitsempfindliche Aufnehmer oder Vibrationsaufnehmer zum Er­ mitteln dieser Vibrationssignale verwendet. Jedoch sind die Instrumentierung und das zum Durchführen dieser Prüfungen er­ forderliche Fühlelement häufig zu beschwerlich und zu teuer für die In-Betrieb-Prüfung des Lagers, während es in seiner Arbeitsumgebung angebracht ist, zum Beispiel an einer Ma­ schine. Ferner ist ein in der Maschine angebrachtes Lager ty­ pisch zusätzlichen äußeren, durch die Arbeitsmaschine erzeug­ ten Vibrationen ausgesetzt, welche die Ermittlung von Lager­ vibrationen, die von interner Beschädigung herrühren, kompli­ zieren oder verhindern.

Die US-Patente 4,327,454, 4,481,819 und 4,672,850 offenbaren verschiedene Vorrichtungen zum Überwachen von rotierenden Einrichtungen, wie beispielsweise Getrieben und Lagern, wel­ che piezoelektrische Keramik- oder Kristallmeßfühler verwen­ den. Das Patent 4,237,454 nutzt einen Aufliegerbalken in Ver­ bindung mit einem piezokeramischen Element zum Bilden eines abgestimmten mechanischen Resonators oder einer Vibrations­ zunge, in welchem die Zunge Leistung erzeugt, welche zum Er­ mitteln von Defekten verwendet wird, sowie Leistungsübertra­ gungsschaltungen bei der Ermittlung einer Fehlfunktion von rotierenden Maschinen. Das Patent 4,481,819 verwendet einen piezoelektrischen Keramikmeßfühler, um Metallwischen (metal wipe) eines ebenen Lagers zu ermitteln, das in rotierenden Maschinen verwendet wird. Jedoch wird ein Ultraschallsignal, welches erzeugt wird, dann durch Meßwertaufbereitung mit einem Filter, Verstärker, Detektor und Komparator in ein Im­ pulssignal umgewandelt. Das Patent 4,672,850 verwendet einen an einem Ring angebrachten piezoelektrischen Meßfühler, wel­ cher dann an einem Spindelstock eines Zahnrades vorgesehen wird, um die Laufqualität eines Zahnradsystems auszuwerten. Jedoch umfaßt jedes der vorhergehenden piezoelektrischen Meß­ fühlersysteme Anordnungen, welche sperrig sind und welche keine modern gestaltete Anfügung an Lageranordnungen oder Aufbauten bieten und daher ihren Anwendungspunkt sowie ihren resultierenden Erfolg ernsthaft einschränken.

Ferner haben frühere Versuche einen normalen Beschleunigungs­ messer verwendet, welcher ein Geräuschausgangssignal erzeugt und extensives elektronisches Filtern erfordert, um die Vor­ handensein von Lagerschädigungen zu ermitteln. Das Geräusch­ ausgangssignal ergibt sich, wenn ein Beschleunigungsmesser mechanische Vibration in einem System abtastet durch indirek­ tes Überwachen von Kräften, die erzeugt werden aus der ra­ schen Beschleunigung eines Feder-Masse-Systems, welches der Amplitude und Vibrationsfrequenzen proportionale Kräfte er­ zeugt. Daher wird Kraft auf ein Abtastelement ausgeübt, wel­ ches eine Ladung erzeugt, die mechanischer Bewegung propor­ tional ist. Infolgedessen neigen Beschleunigungsmesser dazu, beträchtliche Mengen von unerwünschtem Geräusch aufzunehmen, und neigen zur Beschränkung in ihrem Frequenzbereich.

Gemäß der Erfindung wird ein In-Betrieb-Überwachungssystem für Wälzlager geschaffen, in welchem ein piezoelektrischer Film­ meßfühler festgehalten wird an dem Lager, an der Lagerstütz­ konstruktion oder an einem getrennten Bauteil, das mechanisch mit dem Lager gekoppelt ist, um das Betriebsverhalten eines Lagers zu überwachen. In einer Ausführungsform ist das Lager­ überwachungssystem zum Ermitteln und Voraussagen von Lager­ schädigungen gestaltet. In einer anderen Ausführungsform ist das System zum Ermitteln der Drehzahl eines Wälzlagers ge­ staltet. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die An­ ordnung piezoelektrischer Filmmeßfühler um ein Lager herum, oder mechanisch an ein Lager gekoppelt, um Lagerschädigungen zu ermitteln, wobei der Meßfühler in einer kompakten Bauform vorgesehen wird, die sich zur In-Betrieb-Arbeitsweise an Ma­ schinen und Fahrzeugkomponenten eignet. Bisher sind alle vor­ herigen Systeme in ihrem Vermögen zum Vorsehen kompakter La­ gerüberwachung beschränkt gewesen, insbesondere für in raum­ beschränkten Stützkonstruktionen angebrachte Lager, welche erfordern, daß Umfangsdruckwellen an dem äußeren Umfang des Lagers überwacht werden.

Genauer gesagt erwägt die Erfindung eine Vorrichtung zum Vor­ aussagen von Wälzlagerschädigungen in einem Wälzlager, in welchem eine durch elastische Deformation induzierte Druck­ welle in dem Lager oder einer Stützkonstruktion ermittelt wird mit einem strategisch plazierten piezoelektrischen Meß­ fühler oder einer Gruppe von Meßfühlern. Um Hintergrundge­ räusch von dem abgetasteten Lagerschadensignal zu unterschei­ den, wird entweder das Meßfühlersignal verglichen mit einem Schwellenwert, welcher ein normales Lager anzeigt, oder durch eine Anzahl von Meßfühlern erzeugte Signale werden verglichen durch Auslöschen von üblichem Betriebsgeräusch zwischen den Signalen.

Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen ein piezoelektrisches Filmmeßfühlersystem für Lager schaffen, welches gestaltet werden kann zum Ermitteln und Vorhersagen von Lagerschädigungen oder zum Abtasten der Lagerdrehzahl, und welches das vorhergehende in einem kompakten und effekti­ ven Fühlelementsystem bietet, welches eine vereinfachte Kon­ struktion sowie wirtschaftliche Herstellung und Montage bie­ tet, leicht an großen oder kleinen Lagern zu implementieren ist und an einer getrennten Scheibe oder einem Ring gestaltet werden kann, welcher mit dem Lager installiert werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeich­ nung gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht eines Lagervibrationsfühlelementes mit einem Paar piezoelektrischer Filmmeßfühler, die klebend an der Rückfläche eines Lagerlaufringes festgehalten werden gemäß einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linien 2-2 von Fig. 1, welcher die Anordnung des Lagers und des Fühlele­ mentes zeigt;

Fig. 3 eine Draufsicht eines Lagervibrationsfühlelementes, das mit einer flachen Ringscheibe zusauengebaut ist gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfin­ dung, welche ein austauschbares Ringscheiben-Fühl­ element schafft zur Verwendung mit Lagern, das leicht ausgetauscht werden kann, ohne das Fühlele­ ment zu ersetzen;

Fig. 4 einen Seitenaufriß entlang der Linie 4-4 von Fig. 3;

Fig. 5 eine Draufsicht einer an einem Wellenstumpf ange­ brachten Fühlelementnabenkappe eines Kfz-Radnaben- Drehzahlabtastsystems gemäß einer dritten Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie 6-6 von Fig. 5, welche die Fühlelementnabenkappe angebracht an einem ringförmigen Drehzahlfühlersystem eines Kraftfahrzeugrades zeigt;

Fig. 7 eine Draufsicht eines Lagervibrationsfühlelementes mit vier piezoelektrischen Filmmeßfühlern, die kle­ bend an der Rückfläche eines Lagerlaufringes gehal­ ten werden gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 eine Draufsicht eines Lagervibrationsfühlers mit einem Paar piezoelektrischer Filmmeßfühler, die klebend festgehalten werden in flachen eingeschlif­ fenen Aussparungen in dem äußeren Umfang eines La­ geraußenringes gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9 eine Draufsicht von Fühlelement-Prüfergebnissen, wenn ein Defekt in einem Wälzelement in der Lager­ anordnung von Fig. 7 vorhanden ist; und

Fig. 10 ein Diagramm von Spitzenspannungsausschlägen aus einer Reihe abgetasteter Signale wie beispielsweise des in Fig. 9 gezeigten Signals als Funktion der Lageraxialbelastung für die in den Fig. 3, 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Kegelrollenlager- und Lager­ fühlelementanordnung 10, welche die Merkmale der Erfindung enthält. Die Anordnung 10 ist versehen mit einem Paar piezo­ elektrischer Filmmeßfühler (film transducer) 12 und 14, wel­ che an einem äußeren Lagerlaufring 16 festgehalten werden, um eine Lagerabtastung vorzusehen. Ein typisches Lager wird ge­ bildet durch Zusammensetzen des äußeren Laufringes 16, eines inneren Laufringes 18 und einer Mehrzahl von Wälzelementen. Ein Splitter 22 oder ein Defekt, welcher sich in einem der Laufringe oder einem der Wälzelemente bildet, wächst und er­ zeugt stoßinduzierte Druckwellen, welche durch das Lager wan­ dern. Durch Festhalten jedes Meßfühlers 12 und 14 in anlie­ gender Druckwellenkopplung mit dem Radlager oder der Konstruktion, die das Lager trägt, kann eine druckwellenindu­ zierte Materialspannung abgetastet und überwacht werden, um eine Lagerschädigung zu ermitteln und vorauszusagen. Alterna­ tiv können zyklische Belastungen, welche durch die Lager ver­ ursacht werden, wenn sie zwischen den Laufringen rotieren, überwacht werden, um die Lagerrotationsgeschwindigkeit (La­ gerdrehzahl) zu messen.

Vorzugsweise wird jeder Meßfühler 12 und 14 aus piezoelektri­ schem Film gebildet, welcher in einer halbkreisförmigen Ge­ stalt geschnitten wird. Alternativ kann eine Mehrzahl kleine­ rer piezoelektrischer Meßfühler oder ein einzelner ringförmi­ ger Meßfühler entlang der Lagerfläche festgehalten werden. Jeder piezoelektrische Meßfühler weist eine positive Zulei­ tung 24 und eine negative Zuleitung 26 auf, die an gegenüber­ liegenden Seiten des Filmes befestigt sind, welche ein elek­ trisch leitendes Ausgangssignal in Relation zu Beanspruchun­ gen erzeugen, die dem Film erteilt werden.

Ferner ist jeder piezoelektrische Filmmeßfühler 12 und 14 vorzugsweise an einer Rückfläche 27 an dem äußeren Laufring 16 mit einem Epoxidklebstoff 28 angeklebt. Bei dem Anbringen jedes piezoelektrischen Filmmeßfühlers an einem Lager oder einem Lageraufbau ist es wichtig, daß eine aneinanderliegende Druckwellenkopplung erhalten wird zwischen dem Fühlelement und dem Lageraufbau. Das durch die Zuleitungen 24 und 26 übertragene elektrische Ausgangssignal steht in Beziehung zu der Starrheit, mit welcher jedes Fühlelement an dem Lager festgehalten wird. Bei dem Festhalten jedes Meßfühlers an dem Lager durch Klebstoff, scheinen die besten Klebstoffe zu ba­ sieren auf Acryl-, Epoxid-, Urethan- und Zyanacrylat-Polyme­ ren. Diese Klebstoffe bieten das beste Verfahren zum Übertra­ gen mechanischer Druckwellen in dem Film.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, sind die zwei halb­ kreisförmigen Fühlelemente oder Meßfühler 12 und 14 180° von­ einander entfernt klebend angefügt an die Rückfläche 27. In dieser Anordnung hebt sich gewöhnliches Betriebsgeräusch, wie es durch die Zuleitungen 24 und 26 gemessen wird, auf bei Verwendung einer elektronischen Schaltung wie beispielsweise einer Differentialschaltung zum Abziehen einer Welle von der anderen. Das resultierende Ausgangssignal zeigt Schadenspit­ zen deutlicher über Lagergeräusch und Außengeräusch, das in jedem Meßfühlerausgangssignal vorhanden ist. In Anwendungen, in denen die Last auf das Lager stationär ist bezüglich des äußeren Laufringes 16, würde einer der Meßfühler 12 oder 14 in der "BelastungsZone" plaziert, während der andere diesem Bereich gegenüberliegt. Diese Gestaltung verbessert die Un­ terdrückung von Rauschen.

Die starre Klebebefestigung der Meßfühler 12 und 14 direkt an dem Lager 10 sorgt für ein Verfahren zur Bestimmung des Vor­ handenseins einer Lagerschädigung. Eine Lagerschädigung, zum Beispiel aufgrund eines Splitters 22, verursacht mechanische Vibration und beginnt als eine mechanische Druckwelle, die durch das Lager und das umgebende Gehäuse wandert. Die Druck­ welle beginnt, wenn die angelegte Last an einem Lager be­ wirkt, daß ein Wälzelement 20 sich durchbiegt in einen durch einen Splitter 22 geschaffenen Hohlraum. Alternativ verur­ sacht Beschädigungsabfall (debris), welcher sich in dem Lager bildet, oder andere Verunreinigungen Druckwellen, wenn ein Wälzelement 20 den Abfall kontaktiert. Die resultierenden Druckwellen wandern durch das Lagersystem und deformieren das Lagermaterial elastisch mit einer hohen Frequenz. Eine Lager­ schädigung kann somit ermittelt werden unter Verwendung eines Meßfühlers zum Abtasten der physikalischen Veränderung, die durch die wandernde Druckwelle verursacht wird.

Vorzugsweise basieren die piezoelektrischen Meßfühler 12 und 14 auf hochpolaren Polyvinylidenfluoridfilm, welcher sich als wirtschaftlich erweist zur Verwendung direkt in einem Lager oder an einer Lagerkonstruktion. Dieser Film, welcher gegen­ wärtig im Handel erhältlich ist unter dem Namen Piezo Film von AMP Sensors, Inc., in Valley Forge, Pennsylvania, weist Eigenschaften auf, welche einen äußerst breiten Frequenzbe­ reich zeigen sowie ein breites dynamisches Ansprechverhalten, was ihn ideal macht für Lageranwendungen. Physikalisch ist der Film ein flexibler Kunststoff, welcher leicht geschnitten werden kann und an ein Substrat angeheftet werden kann, um komplizierte Meßfühler mit relativ niedrigen Kosten zu for­ men. Zusätzlich gestattet der Film eine sehr flexible Packung, wenn die Fühlelemente an einer Lagerkonstruktion angebaut werden. Außerdem ist mit dem Fühlelement ein breiter dynamischer Bereich erhältlich.

Als allgemeines Prinzip sind piezoelektrische Materialien an­ isotrop. Daher differieren ihr elektrisches und mechanisches Ansprechen in Abhängigkeit von der Achse der angewendeten mechanischen Beanspruchung oder Dehnung. Zusätzlich ist piezoelektrischer Film seiner Natur nach kapazitiv. Folglich verändern sich durch den Film erzeugte Signale immer diffe­ rentiell mit der Zeit. Ferner unterscheidet sich die Fre­ quenzcharakteristik des Films stark von denen keramischer Meßfühler. Zum Beispiel weist piezoelektrischer Film eine sehr breitbandige Charakteristik auf, von nahezu Gleichstrom bis 10 GHz. Ein flacher Frequenzgang über einen breiten Fre­ quenzbereich rührt teilweise her von der Polymer-Weichheit, im Gegensatz zu der Härte von Keramik. Eine Grundresonanzfre­ quenz halber Wellenlänge eines piezoelektrischen Filmes von 28 Mikrometer beträgt etwa 40 MHz. Aufgrund der anisotropen Eigenschaften piezoelektrischer Materialien ist der Film an einem Lager vorzugsweise so zu orientieren, daß durch das Lager wandernde Druckwellen maximal bemessen werden. Um eine solche Plazierung zu erleichtern, sind zwei Grundtypen piezo­ elektrischer Filme erhältlich.

Ein homopolymerer piezoelektrischer Film wird vorzugsweise in der Anordnung 10 verwendet aufgrund seiner innewohnenden Fle­ xibilität und niedriger Kosten. Homopolymerer Film arbeitet primär in einem "Streckmodus" für Spannungen, die parallel zu der kristallinen Orientierung der Filmfläche induziert wer­ den. Homopolymere Filme wirken durch Abtasten von Druckwel­ len, die um das Lager herum erzeugt werden, wenn es dynamisch deformiert wird um seine neutrale Achse durch irgendeine La­ gerschädigung, mit welcher es in Kontakt steht.

Im Gegensatz dazu werden kopolymere Filme alternativ verwen­ det und sind im allgemeinen empfindlicher als homopolymere Filme. Kopolymere Filme wirken prinzipiell in einem Kompres­ sionsmodus. Dieser Film ist am empfindlichsten für Kräfte, die senkrecht zu der Fläche des Filmes ausgeübt werden. Ein Ausgangssignal, zum Beispiel von den Zuleitungen 24 und 26, ist proportional Kräften, welche das Material durch seine Dicke spannen oder deformieren. Vorläufige Laborlagerversuche haben gezeigt, daß dieser Film bei dem Abtasten von Beschädi­ gungen gut wirkt. Ein größerer Nachteil dieses Films sind seine hohen Kosten und brüchigen Eigenschaften. Ferner kann der Kopolymerpreis von zweimal bis zehnmal soviel betragen wie der des Homopolymers je nach der Dicke des Filmes. Ferner hat sich gezeigt, daß der kopolymere Film schwierig zu in­ stallieren ist, ohne einen Schaden an dem Film zu erleiden. Jedoch ist dieses Problem keine Frage, wenn der Film in einer geeignet konstruierten und montierten Produktionslagereinheit zusammengebaut ist.

Das durch die Anordnung 10 gezeigte Lagerdruckwellen-Ermitt­ lungssystem besteht aus einem Paar Komponenten in Betrieb. Erstens liefert die Anordnung 10 ein Lagerfühlelement, das eingebaut ist in eine Lagerpackung oder in ein System, wel­ ches Lager verwendet. Zweitens sind elektronische Schaltungen vorgesehen, welche feststellen, ob ein Schaden an dem Lager vorhanden ist, durch Überwachen des Ausgangssignals von den Zuleitungen 24 und 26 an jedem Meßfühler. In seiner einfach­ sten Form kann dieses elektronische Ausgangssignal einem ein­ fachen Anzeigelicht oder Auslöseschalter zugeführt werden, welcher bei einem Schwellenwert aktiviert wird, der das Ein­ setzen einer Lagerschädigung anzeigt. Alternativ kann ein ausgeklügeltes Modul ersonnen werden zum Aufzeichnen eines elektrischen Ausgangssignals von den Zuleitungen 24 und 26, welches zu einem zentralen Befehlszentrum übertragen wird und welches weiterverarbeitet wird, um eine abgetastete Lager­ schädigung aus äußerem Lager- und Maschinengeräusch zu extra­ hieren.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, kann die Lager- und Fühlelementanordnung 10 dazu verwendet werden, eine interne Beschädigung eines Lagers in einer schweren Anlage abzuta­ sten, wie beispielsweise in Achslagern, Radantrieben oder Transmissionen. Katastrophale Schädigung kann verhindert wer­ den, welche zu weiterer Beschädigung anderer Teile in einem Maschinensystem mit Zahnrädern und anderen Lagern führen könnte. Infolgedessen wird die Stillstandzeit für ein beschä­ digtes Stück einer schweren Anlage wesentlich vermindert. Frühere Systeme haben sich als schwierig oder unmöglich zum Zusammenbauen gezeigt, insbesondere kostenwirksam und effizi­ ent, und außerdem in Anwendungen mit beschränktem Raum.

Weitere Anwendungen sind offensichtlich in der Luft- und Raumfahrtindustrie, wo Radlager an Fahrwerken kommerzieller Flugzeuge gegenwärtig routinemäßig ausgebaut und untersucht werden, um festzustellen, ob eine Lagerschädigung vorhanden ist. Die Installation von Lageranordnungen 10 würde potenti­ ell die gegenwärtigen Wartungsanforderungen reduzieren. Sol­ che Information könnte erhalten werden, während ein Flugzeug auf einer Landebahn rollt. Diese Information könnte ferner an eine Bodenmannschaft weitergegeben werden, welche weitere Un­ tersuchungs- und Wartungsaktionen festlegen würde.

Eine dritte Anwendung ist offensichtlich zum Überwachen von Radlagern an Eisenbahnwagen, welche dazu dienen würde, durch Lagerschädigung verursachte Entgleisungen zu beschränken.

Die Fig. 3 und 4 stellen eine Ringscheiben-Lagerfühlele­ ment-Anordnung 30 dar, welche einen peripheren piezoelektri­ schen Filmmeßfühler 32 auf einer Ringscheibe 33 zum Abtasten von Druckwellen schafft. Die Anordnung wird festgehalten in anliegender Druckwellenkopplung mit einem Lager oder einem Lagerstützkonstruktion, um eine Lagerschädigung eines Wälzla­ gers zu überwachen und vorauszusagen, oder um die Drehzahl eines Lagers zu messen, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Ringscheiben-Fühlelement-Anordnung schafft eine separate flache Ringscheibenkonfiguration, welche ge­ packt werden kann mit Lagern verschiedener Abmessungen in einer Vielzahl von Anwendungen durch Festhalten der Ring­ scheibe in starrer Verbindung mit einem inneren oder äußeren Lagerlaufring oder mit einer Lagerstützkonstruktion. Solch eine Packung erleichtert die Modifikation eines vorhandenen Lagers, um das Lagerverhalten zu überwachen, ohne das tat­ sächliche Lager zu modifizieren. Alternativ erleichtert die Ringscheibenkonfiguration ferner eine austauschbare Ver­ wendung einer einzelnen Ringscheibe mit einer Vielzahl von Lagern. Ferner kann die flache Ringscheibe an einen Lager­ laufring angeklebt werden, um die aneinanderliegende Druck­ wellenkopplung zwischen ihnen zu erhöhen. Solch ein System schafft eine starre Ringscheibenanordnung an einem Lager, welches dennoch durch die Verwendung eines Klebelösungsmit­ tels entfernt werden kann. Zum Beispiel kann die in den Fig. 1 und 2 dargestellte vorerwähnte Ausführungsform unter Verwendung eines Paares piezoelektrischer Filmmeßfühler al­ ternativ mit der lösbaren Ringscheibe gebildet werden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein Kfz-Radnaben-Lagerdichtungssy­ stem 34 mit einem stationären Wellenstumpf 35 oder einem auf den Wellenstumpf aufgepreßten inneren Laufring und eine Na­ benkappe 36 zum Halten piezoelektrischer Filmmeßfühler oder Fühlelementringe 42 und 44 gemäß einer dritten Ausführungs­ form der Erfindung. Der erste Fühlelementring ist ein halb­ mondförmiger piezoelektrischer Filmmeßfühler 42, welcher durch Klebung festgehalten wird in einem in der Nabenkappe 36 ausgebildeten Muldenboden 38. Ebenso oder alternativ wird ein in Umfangsrichtung geformter piezoelektrischer Filmmeßfühler 44 klebend gehalten an einer inneren Durchmesserwand 40 an der Nabenkappe 36. Eine Meßfühlerdraht-Zuführöffnung 46 ist in der Nabenkappe 36 ausgebildet, durch welche positive und negative Zuführungen 24 bzw. 26 von den Meßfühlern 42 und 44 austreten.

In der Anordnung ist die Nabenkappe 36 an dem Wellenstumpf 35 angebracht oder auf den inneren Laufring des Lagers aufge­ preßt, welcher seinerseits auf den Wellenstumpf aufgepreßt ist, der Kugellager 48 in einer Rollbahn 49 aufnimmt, die einen inneren Laufring 51 definiert. Ein äußerer Laufring 53 hält die Lager derart fest, daß der äußere Laufring um den stationären inneren Laufring rotiert. In der Anordnung werden die Nabenkappe und der innere Lagerlaufring starr zusammenge­ halten durch Befestigungsmittel oder Preßpassung, um zwischen ihnen eine aneinanderliegende Druckwellenkopplung zu erhal­ ten. Durch Vibration induzierte Druckwellen übertragen sich von dem Wälzelement 48 und der Rollbahn 51 in den Wellen­ stumpf oder den inneren Laufring 35, die Nabenkappe 36 und die Meßfühler 42 und 44, welche die Lagerdrehzahl abtasten und messen durch bekannte Signalcharakteristiken, die durch Rotation von Wälzelementen in dem Lager erzeugt werden, oder überwachen alternativ eine Lagerschädigung. Wenn Hintergrund­ geräusch kein Problem ist, ist alternativ nur einer der Meß­ fühler 42 oder 44 erforderlich.

Fig. 7 zeigt eine alternative Gestaltung oder vierte Aus­ führungsform 49 für das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Lagerfühlelement 10, in welchem vier piezoelektrische Meßfühler 50, 51, 52 und 53 in Umfangsabstand von 90° voneinander um eine Rückfläche 27 eines äußeren Lagerlaufringes 16 herum angeordnet sind. Vorzugsweise wird Kopolymerfilm verwendet aufgrund seiner erhöhten Empfindlichkeit für Kräfte, die senkrecht zu der Filmfläche ausgeübt werden. Kopolymerfilm ist jedoch brüchig und ist in seiner Anwendung empfänglich für Bruch während der Handhabung und Prüfung. Diese Brüchig­ keit sollte kein Problem bilden bei Einbau in eine verfei­ nerte Produktionsmontageoperation. Tatsächlich scheint eine Meßfühleranordnung an der Rückfläche eines äußeren Laufringes mit Kopolymerfilm, wie in den Fig. 1, 2 und 7 gezeigt, die wahrscheinlichste Position zur Verwendung in einer Produk­ tionskonstruktion zu sein. Ferner ist diese Anordnung bestens geeignet zum Abtasten der Drehzahl eines Lagers mit den vor­ erwähnten Meßfühlern.

Fig. 8 zeigt ein Rollenlager- und Fühlelementsystem 54 ähn­ lich den in den Fig. 1, 2 und 7 dargestellten, welches ein Paar piezoelektrischer Filmmeßfühler 56 und 58 in flachen Be­ hältern 60 und 62 festhält, die in einer äußeren Umfangsflä­ che 57 des äußeren Lagerlaufringes 55 ausgebildet sind. Vor­ zugsweise ist jeder Behälter in eine äußere Umfangsfläche des äußeren Lagerlaufringes eingeschliffen, um eine sehr flache Aussparung zum Aufnehmen des Filmes zu bilden. Infolgedessen kann ein Lager in einem Hohlraum einer Umfangshalterung einer Lagerstützkonstruktion aufgenommen werden auf eine Art, wel­ che den Film nicht kontaktiert und belastet. Durch sorgfälti­ ges Ausbilden des Behälters wird die Festigkeit des äußeren Lagerlaufringes nur nominell beeinträchtigt. Solch eine Vor­ richtung läßt die äußere Umfangsanfügung von Meßfühlern an den Außendurchmessers eines Lagers zu, was nur nominell eine Deformation aufgrund der Modifikation verursacht. Vorzugs­ weise verwendet diese Konfiguration einen Kopolymerfilm. Fer­ ner wird eine im Handel leicht erhältliche elektronische Ver­ gleichsschaltung 64 verwendet, um Geräusch von den Meßfühlern 56 und 48 durch Subtrahieren ihrer Ausgangssignale aufzuhe­ ben. Alternativ kann die Schaltung 64 ein durch eine Schwelle aktivierter Auslöseschalter sein mit einem Anzeigelicht, der getriggert wird durch Vergleich beider Fühlelementausgangssi­ gnale mit einem Schwellenausgangssignal über einen Kompara­ tor.

Fig. 9 zeigt aufgezeichnete Fühlelementprüfergebnisse für die in Fig. 7 gezeigte Lager- und Fühlelementanordnung 10, wenn sie einer Axiallast von 9513 Kilogramm (21000 lb) in einem Rotationszustand bei 930 U/min unterworfen wird. Wie in dem Diagramm angemerkt, sind Spitzen hoher Spannung oder Be­ schädigung vorhanden, welche allgemein sinusförmigen Wellen überlagert sind. Die sinusförmigen Wellen werden gebildet durch Rollen, wenn sie über den Bereich eines piezoelektri­ schen Fühlelementes laufen. In dieser besonderen Prüfung wurde ein NTN-72487-Lager auf einer Rollkontakt-Ermüdungs­ testmaschine gefahren. Aus der Aufzeichnung ist jede resul­ tierende hohe Spannungsspitze proportional der Last und der Schwere der Beschädigung des geprüften Lagers. Für diese Prü­ fung wurde ein beschädigtes NTN-72487-Kegelrollenlager ver­ wendet, welches vor dem Prüfen gefahren worden ist, um einen Ermüdungsschaden einzuleiten und piezoelektrischer Film wurde angefügt, welcher erhältlich ist von AMP Sensors, Inc., Val­ ley Forge, Pennsylvania.

Schließlich zeigt Fig. 10 ein Diagramm von Spitzenspannungs­ ausschlägen wie beispielsweise den in Fig. 9 gezeigten als Funktion der Lageraxialbelastung von einem abgetasteten Si­ gnal für jede der Lagerkonfigurationen, die in jeder der drei in Fig. 3, Fig. 7 bzw. Fig. 8 dargestellten Ausführungs­ formen gezeigt sind. Aus Fig. 10 geht hervor, daß für jede dieser drei Ausführungsformen der Erfindung die Amplitude der ermittelten Spannungsspitze ziemlich linear ist bezüglich der Last. Diese Beziehung kann ferner dazu verwendet werden, die Schwere der Schädigung sowie die Gesamtbelastung an einem ge­ gebenen Lager vorauszusagen und festzustellen.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf dem oben darge­ stellten und beschriebenen genauen Aufbau beschränkt ist, sondern daß verschiedene Änderungen und Modifikationen vorge­ nommen werden könne, ohne von dem Gedanken und Rahmen der Er­ findung abzuweichen, die in den Ansprüchen definiert sind.

Claims (20)

1. Vorrichtung zum Überwachen des Zustands eines Wälzla­ gers, welche Druckwellen in dem Lager ermittelt, die durch den Betrieb des Lagers erzeugt werden, gekennzeichnet durch
wenigstens einen piezoelektrischen Meßfühler (12, 14; 32; 42, 44; 50a, 50b, 50c, 50d; 56, 58), der zur Druckwellenkopplung mit dem Lager angeheftet ist, wobei der Meßfühler mechanisch an­ spricht auf Druckwellen in dem Lager und der Meßfühler arbei­ tet, um ein entsprechendes elektrisches Signal-Pendant abzu­ geben,
und eine Ermittlungseinrichtung zum Überwachen des elek­ trischen Ausgangssignals des Meßfühlers.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion einstückig von dem Lager gebildet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion durch den inneren Lagerlaufring (18) ge­ bildet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion durch den äußeren Lagerlaufring (16) ge­ bildet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Film-Meßfühler (12, 14) an der Rückfläche (27) des äußeren Lagerlaufringes (16) aufgenommen wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Film-Meßfühler (56, 58) an der äußeren Umfangsfläche (57) des äußeren Lagerlaufringes (16) aufgenommen wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion eine Ringscheibe (33) umfaßt, die dazu dient, den Film-Meßfühler (32) getrennt von dem Lager aufzu­ nehmen, wobei die Ringscheibe (33) kräftig an dem Lager fest­ gehalten wird, um den Film-Meßfühler (32) Lagerdruckwellen auszusetzen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlungseinrichtung elektronische Schaltungen umfaßt, welche Lagerschadensignale von Grundgeräusch unterscheiden durch vergleichende Überwachung des Ausgangssignals mit dem Bezugswert, um eine Ausgangssignalabweichung zu ermitteln.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schaltungen einen Auslöseschalter in elek­ trischer Verbindung mit einem Anzeigelicht umfassen, das tä­ tig ist in Reaktion auf ein bezüglich einer Schwelle abgeta­ stetes Ausgangssignal, das über einen Komparator vergleichend überwacht wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlungseinrichtung eine elektronische Schaltung (64) umfaßt zum Vergleichen eines elektrischen Ausgangssignals von einem der Meßfühler (12, 14; 56, 58) mit einem Ausgangssignal von einem anderen der Meßfühler (12, 14; 56, 58), die im allge­ meinen einander gegenüber derart angeordnet sind, daß sie be­ abstandet sind, wobei die Schaltung (64) arbeitet, um übli­ ches Betriebsgeräusch zwischen den Signalen zu löschen durch Abziehen der jeweiligen elektrischen Ausgangssignale.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Meßfühler (12, 14) in einer Belastungszone des Lagers angebracht ist und ein anderer der Meßfühler (12, 14) gegenüber der Belastungszone angebracht ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler aus einem piezoelektrischen polaren Polyvinyli­ den-Fluorid-Film gebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Film ein Homopolymer ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Film ein Kopolymer ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar halbkreisförmiger piezoelektrischer Film-Meßfühler (12, 14) in Umfangsrichtung um die Tragkonstruktion herum vor­ gesehen ist, wobei die Meßfühler (12, 14) im allgemeinen ein­ ander gegenüber positioniert sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung von vier Meßfühlern (50a, 50b, 50c, 50d) in Um­ fangsrichtung um die Tragkonstruktion (27) herum vorgesehen ist, wobei die Meßfühler (50a, 50b, 50c, 50d) im allgemeinen den gleichen Abstand voneinander aufweisen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Film-Meßfühler mit Klebemittel an das Lager angeklebt ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aussparung (60, 62) in der äußeren Umfangsfläche (57) zum Aufnehmen des Film-Meßfühlers (56, 58) vorgesehen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Druckwellenvibrationen, welche von einem Wälzlagerdefekt oder dem Kontakt zwischen dem Wälzelement und Schmutzstoffen ema­ nieren, mit dem piezoelektrischen Film-Meßfühler über die Er­ mittlungseinrichtung ermittelt werden, um eine Lagerschädi­ gung vorauszusagen durch vergleichende Überwachung des Aus­ gangssignals mit dem Bezugswert, was ein normales Lager an­ zeigt und signalisiert, wenn das Ausgangssignal von dem Be­ zugswert abweicht.

20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzelementbewegung in dem Lager Druckoszillationen er­ zeugt, welche durch den piezoelektrischen Film-Meßfühler er­ mittelt werden, um die Drehzahl zu messen.