DE19937203A1

DE19937203A1 - Überwachung der Lebensdauer und der Belastung von Lagern

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Publication number: DE19937203A1
Application number: DE19937203A
Authority: DE
Inventors: John H Rhodes; Richard L Lemoine; Richard W Browner; Mark A Fuller; Iii Mark I Jurras; David Nguyen
Original assignee: Torrington Co
Current assignee: Timken US LLC
Priority date: 1998-08-06
Filing date: 1999-08-06
Publication date: 2000-03-09
Also published as: US5952587A; SE9902853L; SE518087C2; SE9902853D0

Abstract

Ein System fühlt Wälzelementbelastungen in Echtzeit in einem Wälzelementlager ab, das eine Vielzahl von Wälzelementen hat, die zwischen einer inneren Laufbahn und einer äußeren Laufbahn angeordnet sind. Eine Vielzahl von Sensoren ist um eine der inneren Laufbahn und der äußeren Laufbahn des Lagers herum angeordnet, um Sensordaten auszugeben, die festgestellten Belastungen entsprechen. Eine Steuereinheit sagt die Lagerlebensdauer aus den Sensordaten vorher und bestimmt einen Belastungsbereich des Lagers in Echtzeit aus den Sensordaten. Vor dem Betrieb des Systems in Echtzeit werden die Sensoren kalibriert, um eine Beziehung von Rollenlast und gemessener Beanspruchung nachzubilden. Das Lager wird dann gedreht, und Sensordaten werden von jedem der Sensoren ausgegeben. Die Sensordaten sind zyklisch, und Spitzen und Täler werden aus den Sensordaten extrahiert, um Wälzelementbelastungen und gemessene Lagergeschwindigkeit zu bestimmen. Die Belastungskomponenten von einer Vielzahl von Lagern werden dann aufsummiert, um die gesamte aufgebrachte Systembelastung in Echtzeit zu erhalten.

Description

GRUNDLAGEN DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Abfühlen von Lagerbelastungen und auf die Vorhersage der Lagerlebensdauer für reibungsarme Lager und insbesondere auf das Feststellen von individuellen Belastungen für eine Vielzahl von Wälzelementen in reibungs armen Lagern, um den Belastungsbereich zu charakterisieren und die nutzbare Lebensdauer vorherzusagen.

In der einfachsten Form weist ein Lager eine Welle oder eine Achse auf, die so gestaltet und angeordnet ist, daß sie drehbar innerhalb eines passenden Lochs einer Struktur aufgenommen ist. Reibungsarme Lager oder "Wälzelementlager" sind eine Lagerart, in der eine Vielzahl von Wälzelementen zwischen der Welle und dem dazu passenden Loch angeordnet ist, um die Reibung zu vermindern.

Die Wälzelemente von reibungsarmen Lagern können viele Formen annehmen, aber sie werden allgemein als Kugeln oder Rollen klassifiziert. Die Rollen können ihrerseits eine Vielzahl von Formen annehmen, die im wesentlichen gleichmäßige Zylinder, Ballen oder Konen sind, abhängig von der Art der Anwendung.

Ein einzigartiges Merkmal von Wälzelementlagern besteht darin, daß deren nutzbare Lebens dauer nicht durch Verschleiß bestimmt ist, sondern vielmehr durch Ermüdung der Arbeits oberflächen aufgrund von wiederholten Beanspruchungen, die mit dem Gebrauch zusammen hängen.

Es wird allgemein akzeptiert, daß ein Ermüdungsausfall von Wälzelementlagern als Ergebnis einer zunehmenden Ausbildung von Schuppen oder Grübchen an den Oberflächen der Wälzelemente und an den Oberflächen der entsprechenden Lagerlaufbahnen auftritt. Diese Schuppen- und/oder Grübchenbildung bewirkt, daß die Wälzelemente fressen, wodurch intensive Erhitzung, Druck und Reibung erzeugt werden.

Bisher haben Bemühungen, die nutzbare Lebensdauer von Wälzelementlagern vorherzusagen, sich darauf konzentriert, das Lager als Ganzes zu testen. Zum Beispiel werden zum Vorhersa gen der Lagerlebensdauer eine Anzahl ähnlicher Lager herkömmlicherweise auf Ausfall untersucht, während entsprechend variierende Drehgeschwindigkeiten und Drücke angewandt werden. Herkömmliche Theorien zum Vorhersagen der nutzbaren Lebensdauer von Wälzel ementlagern haben dabei versucht, die meßbaren äußeren Faktoren des Lagers, wie beispiels weise die aufgebrachte Last, die Temperatur und die Drehgeschwindigkeit usw., mit experi mentell festgestellten Lagerausfallpunkten in Beziehung zu setzen.

Eine Anzahl herkömmlicher Kraftmeßvorrichtungen wurden verwendet, um die auf ein Lager aufgebrachte Gesamtkraft zu bestimmen. In US-Patent 4 341 122 (Lechler et al.) wird be schrieben, daß die radiale Komponente der gesamten auf ein Wälzelementlager aufgebrachten Kraft durch die Verwendung von Dehnungsmeßstreifen gemessen werden kann. Gemäß dieser Schrift werden mehrere Dehnungsmeßstreifen verwendet, um Veränderungen der Temperatur während der Berechnung der gesamten radialen Belastung zu kompensieren. In ähnlicher Weise wird in US-Patent 5 140 849 (Fujita et al.) beschrieben, daß erste und zweite Deh nungsmeßstreifen in einer rechtwinkligen Beziehung angeordnet werden können, wobei die entsprechenden Ausgangssignale in einer Brückenschaltung verbunden werden. Gemäß dieser Schrift wird einer der Dehnungsmeßstreifen dazu verwendet, die Belastung zu messen, während ein senkrecht dazu angeordneter Dehnungsmeßstreifen eine Temperaturkompensation durch elektrische Verbindung in der Brückenschaltung schafft. Herkömmliche Kraftmeßvor richtungen für Lager haben sich auf das Lager als Ganzes konzentriert. Als Konsequenz hiervon haben herkömmliche Kraftmeßvorrichtungen beim genauen Nachbilden von Kräften versagt, die dynamisch auf entsprechende Lagerwälzelemente während der Drehung ausgeübt werden.

Herkömmliche Kraftmeßvorrichtungen leiden auch unter dem Nachteil, daß ein Belastungs bereich eines Lagers während des Betriebs nicht genau charakterisiert werden kann.

Aus dem vorstehenden ergeben sich Beschränkungen der bekannten Vorrichtungen und Verfahren. Es ist daher ersichtlich, daß es vorteilhaft wäre, eine Alternative zu schaffen, mit der eine oder mehrere der oben genannten Beschränkungen oder Nachteile überwunden werden können. Demgemäß wird eine geeignete Alternative mit ihren Merkmalen im ein zelnen nachstehend offenbart.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird dies erreicht durch Schaffung eines Systems zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen in einem Wälzelementlager, das eine Vielzahl von Wälzelementen hat, die zwischen einer inneren Laufbahn und einer äußeren Laufbahn angeordnet sind. Eine Vielzahl von Sensoren sind um eine der inneren Laufbahn und der äußeren Laufbahn des Lagers herum angeordnet, um Sensordaten auszugeben, die festgestell ten Belastungen entsprechen, die durch die Wälzelemente verursacht sind. Eine Vielzahl von Verbindungsgliedern sind mit jedem der Vielzahl von Sensoren verbunden, um die Sensor daten zu übertragen, und eine Steuereinheit nimmt die Sensordaten von der Vielzahl von Verbindungsgliedern auf. Die Lagerlebensdauer wird dann aus den Sensordaten vorhergesagt.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung werden die Nachteile des Standes der Technik überwunden durch Schaffung eines Verfahrens zum Vorhersagen der Lagerlebensdauer in einem Wälzelementlager, mit den Schritten des Abfühlens individueller Lasten, die durch eine Vielzahl von Wälzelementen in dem Wälzelementlager verursacht werden, und des Be rechnens der Lagerlebensdauer aus den individuellen Lasten, die in dem Abfühlschritt abgefühlt werden.

Die vorstehenden und weitere Aspekte werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Seitenansicht einer Wälzelementlageranordnung mit einer Vielzahl von Kraftsensoren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A ist eine Schnittansicht des Wälzelementlagers längs der X-Y-Ebene von Fig. 1, wobei Sensoren um einen inneren Lagerlaufring herum an geordnet sind;

Fig. 2B ist eine Schnittansicht eines Wälzelementlagers gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem Sensoren um einen äußeren Lagerlaufring herum angeordnet sind;

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen einer Anzahl von Kraftmeßsensoren und Fehlern bei der Berechnung einer Lagerlebensdauer veranschaulicht;

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Sensorausgabe während der Drehung von Wälzelementen um ein Lager herum veranschaulicht;

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Bestimmen und Analysieren von Echtzeitdaten eines Belastungsbereichs eines Wälzelementlagers;

Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm einer Sensoreinheit, die zum Bestim men der Kraft in einem Wälzelementlager verwendet wird;

Fig. 7 (Stand der Technik), ist ein Fließdiagramm, das Schritte veranschau licht, die bei einer herkömmlichen Berechnung der Lagerlebensdauer erforderlich sind;

Fig. 8 ist ein Fließdiagramm, das ein Verfahren zum Vorhersagen der Lager lebensdauer von Wälzelementlagern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 9 ist ein Fließdiagramm, das ein Verfahren zum Vorhersagen der Lager lebensdauer von Wälzelementlagern gemäß einem anderen Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 10A und 10B veranschaulichen eine seitliche perspektivische Ansicht und eine Schnittansicht eines Schrägrollenlagers mit einer zugehörigen Kraftver teilung;

Fig. 11A und 11B veranschaulichen eine gemessene Lagerbeanspruchungsverteilung und die entsprechende Meßanordnung; und

Fig. 12 veranschaulicht axiale Lasten aufgetragen direkt gegen die gemessene Beanspruchung jedes Sensors für einen Sensorkalibrierungsvorgang.

DETAILBESCHREIBUNG

In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 ist ein System zum Feststellen der Lagerlast in Echtzeit und zur Voraussage der Lagerlebensdauer offenbart. Fig. 1 veranschaulicht eine Lageranordnung 30 mit einer hohlen Spindel 32, die in bezug auf eine (nicht gezeigte) Stützstruktur rotiert. Die hohle Spindel 32 ist durch ein Lager 34 und ein Lager 36 abgestützt. Beispielsweise weist das Lager 34 einen äußeren Laufring 38, einen inneren Laufring 40 und eine Vielzahl von Wälzelementen 42 auf. Eine Vielzahl von Sensoren 44 ist um den inneren Laufring 40 herum angeordnet, um die von den Wälzelementen 42 aufgebrachte Last zu messen. Eine Vielzahl von leitfähigen Drähten 46 überträgt die gemessenen Sensordaten, die von den Sensoren 44 abgegeben werden, zu einer (nicht gezeigten) Steuereinheit für die anschließende Weiterverarbeitung.

Fig. 2A ist eine Schnittansicht des Lagers 34 längs der X-Y-Ebene von Fig. 1. Wie in Fig. 2A veranschaulicht ist, weist das Lager 34 sechzehn Wälzelemente 42 auf, die idealerweise gleichmäßig zwischen dem äußeren Laufring 38 und dem inneren Laufring 40 beabstandet sind. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die Anzahl der Wälzelemente innerhalb des Lagers 34 in Abhängigkeit von der Anwendung und dem vorgesehenen Gebrauch variiert.

Gemäß dem in Fig. 2A veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 44 um den inneren Umfang des inneren Laufrings 40 herum angeordnet. Es wurde festgestellt, daß eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen den Sensoren 44 und den Wälzelementen 42 für eine genaue Bestimmung der Lastverteilung nicht erforderlich ist. Dies beruht zum Teil auf der Bewegung der Wälzelemente 42 während des Abfühlens der Lastverteilung.

Fig. 2B ist eine Schnittansicht eines Wälzelementlagers gemäß einem anderen Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 2B veranschaulicht ist, weist das Lager 34 einen inneren Laufring 40 und einen äußeren Laufring 38 auf, die eine Vielzahl von Wälzel ementen 42 abstützen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 sind Sensoren 45 um den äußeren Laufring 38 herum angeordnet. Die Anordnung der Sensoren 45 um den äußeren Laufring 38 herum wird bevorzugt für Ausführungsbeispiele, bei denen der äußere Laufring in bezug auf eine Stützstruktur stationär bleibt und der innere Laufring 40 in bezug auf die Stützstruktur umläuft, so daß die Sensoren 45 leicht mit einer Steuereinheit 56 verbunden werden können. Für Ausführungsbeispiele, bei denen der innere Laufring stationär in bezug auf eine Stützstruktur bleibt und der äußere Laufring umläuft, wird die in Fig. 2A ver anschaulichte Ausführung bevorzugt.

In der Theorie wird die genaueste Beschreibung einer Lastverteilung in einem Lager erreicht durch Anbringen von so vielen Sensoren wie möglich an einem Laufring. Jedoch ist eine praktische obere Grenze für die Anzahl der angebrachten Sensoren in dem Lager gleich der Anzahl der Wälzelemente in dem Lager, weil in der unten beschriebenen Berechnung der Lagerlebensdauer zu jedem Wälzelement ein einziger Lastwert gehört.

Jedoch können Vernünftig gute Schätzungen der Lasten an jedem Wälzelement und demge mäß eine vernünftig gute Abschätzung der Lagerlebensdauer mit einer Anzahl von Sensoren gemacht werden, die kleiner ist als die Anzahl der Wälzelemente. Für jede Wälzelement stellung, in der kein Meßgerät vorhanden ist, wird eine Interpolationsroutine verwendet, um auf die Lasten für die fehlenden Sensoren zu schließen. Bei dem vorliegenden Ausführungs beispiel wird eine kubische Spline-Funktion verwendet, um die Lasten an den Wälzelement stellen zu bestimmen, an denen kein Sensor vorhanden ist. Die kubische Spline-Technik benutzt Messungen über die beiden Sensoren, die unmittelbar eine fehlende Sensorposition überbrücken, und daher bietet sie eine bessere Abschätzung, als es mit einer linearen Inter polationsroutine erzielt werden könnte, die andererseits eine brauchbare Alternative darstellt. Wenn die Anzahl der Sensoren vermindert wird, nimmt jedoch der Fehler in der unten beschriebenen Berechnung der Lagerlebensdauer zu.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Fehler bei der Berechnung der Lagerlebensdauer, basierend auf gemessenen Daten von mehrfachen Sensoren in einem Wälzelementlager, das dreißig Wälzelemente hat. Für ein Lager mit dreißig Wälzelementen wurde eine Berechnung der Lagerlebensdauer durchgeführt unter Verwendung einer Gesamtzahl von 2, 3, 4, 6, 8 und 16 Sensoren. Wie veranschaulicht, ergibt sich eine dramatische Differenz im Fehler, wenn zwei Sensoren verwendet werden im Vergleich zu drei oder vier Sensoren. Die Verwendung von drei Sensoren ergibt einen Fehler von etwa 6%, während die Verwendung von vier Sensoren einen Fehler von weniger als 5% ergibt. Die Verwendung von sechs Sensoren liefert einen Fehler von etwa 2%, was beträchtlich nahe an einem Fehler von etwa 1,5% liegt, der bei Verwendung von acht Sensoren erreicht wird.

Während aus einer mathematischen Perspektive eine Minimierung der Fehlerrate auf 0% vorzuziehen ist, wurde festgestellt, daß eine Fehlerrate von weniger als 5% aussagekräftige Daten liefert. Eine Fehlerrate im Bereich von 3% ist mehr vorzuziehen.

Es bedeutet einen beträchtlichen Aufwand an Arbeit, Sensoren 44 innerhalb einer Lager anordnung zu installieren und entsprechende Datenleitungen zwischen den Sensoren und einer Steuereinheit zu verlegen. Der Aufwand an aufzubringender Arbeit ist direkt proportional der Anzahl der verwendeten Sensoren. Es wurde festgestellt, daß die Verwendung von acht Sensoren, die gleichmäßig um das Lager herum beabstandet sind, zu bevorzugen ist. Die Verwendung von acht gleichmäßig verteilten Sensoren, zum Beispiel bei 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270° und 315° liefert genug Daten, um den Lastbereich um das Lager herum zu charakterisieren. Darüber hinaus entspricht die Verwendung von acht Sensoren einem Fehler von etwa 1,5%, was aussagekräftige Daten liefert.

Die Anordnung der Sensoren um die Welle herum hat eine Auswirkung auf die Daten und auf die Zuverlässigkeit der unten beschriebenen Berechnung der Lagerlebensdauer. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Sensoren 44 gleichmäßig um das Lager 34 herum verteilt, wie es in Fig. 2A veranschaulicht ist. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind jedoch die Sensoren 44 nur an dem Horizont des Lagers (die X-Achse) und darunter angeordnet. Wie in Fig. 2A veranschaulicht ist, werden Sensoren 44a, 44b, 44c, 44g und 44h verwendet. Unter idealen Bedingungen ist der Last bereich für eine aufgebrachte radiale Belastung auf das Lager 34 an dem Horizont oder darunter verteilt. Demgemäß versucht die Anordnung der Sensoren an dem Horizont und darunter, die Ermittlung von aussagekräftigen Daten zu verbessern und den während der Installation der Sensoren nötigen Arbeitsaufwand zu minimieren.

Um die genauesten Daten zu liefern, wird jeder der Sensoren 44 vorzugsweise an einer axialen Stelle eines entsprechenden Druckzentrums für jedes der Wälzelemente 42 angebracht. Das Druckzentrum ist eine Stelle an dem Laufring, an der eine maximale Kraft entsprechend einem Wälzelement auftritt. Das Druckzentrum fällt bei zylindrischen Rollenlagern und bei radialen Kugellagern mit dem axialen Zentrum des Wälzelements zusammen, aber es ist gegenüber dem axialen Zentrum des Wälzelements bei Kegelrollenlagern und bei Schrägrol lenlagern wegen eines Berührungswinkels des Lagers versetzt. Somit werden, wenn das Lager 34 in Ruhe ist, die Sensoren 44 mit den Wälzelementen 42 in bezug auf deren entsprechende Druckzentren ausgerichtet.

Die durch eine Welle auf ein auf der Welle montiertes Lager aufgebrachte Last wird auf eine Stützstruktur durch den inneren Lagerlaufring, die Wälzelemente und den äußeren Lager laufring übertragen. Die Verteilung der Last auf die Wälzelemente wird bestimmt durch den Freiraum in dem Lager, den Freiraum zwischen dem Lager und der Stützstruktur und durch die Gestalt und die Steifigkeit des Lagers und der Stützstruktur.

Die Lasten, denen die Lagerlaufbahnen unterliegen, werden durch die Wälzelemente auf die Lagerlaufbahnen aufgebracht an den Punkten oder Linien der Berührung zwischen den Wälzelementen und den Lagerlaufbahnen. Diese Lasten werden Wälzelementlasten genannt. Wenn der Berührungswinkel zwischen dem Wälzelement und der Laufbahn 45° übersteigt, wird das Lager ein Axiallager genannt, da die durch das Lager abgestützte primäre Last in der axialen oder Axialdruck-Richtung wirkt. Die Erfindung bezieht sich in gleicher Weise sowohl auf Radial- als auch auf Axiallager. Wenn diese Wälzelementlasten durch Messung bestimmt werden, kann die auf das Lager aufgebrachte Last berechnet werden durch Auf summieren der Wälzelementlasten als Vektoren im Raum um das Lager herum. Das heißt, die Summe wird gebildet, indem man die Winkelstellung jedes Wälzelements in dem Lager berücksichtigt. Die Wälzelementlasten werden in die drei gegenseitig orthogonalen Kompo nenten in dem kartesischen Raum aufgeteilt, wie Komponenten summiert werden, und die Größe und die Richtung des resultierenden Vektors werden aus der Vektorsumme der drei Komponenten bestimmt.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die den Sensorausgang während der Drehung der Wälzelemente 42 um das Lager 34 veranschaulichen, das in Fig. 2A dargestellt ist, wobei die Sensoren 45 an dem inneren Laufring 40 angebracht sind. Während der Drehung der Wälz elemente liefert der Sensorausgang von jedem Sensor 44 Daten, die der Last entsprechen, die an einer entsprechenden Lagerposition ausgeübt wird. In Fig. 4 entsprechen Täler 50 einem Zeitpunkt, in dem ein Wälzelement an einer Sensorstelle vorbeigeht. Wenn das Wälzelement die Sensorstelle passiert, verformt sich die den Sensor abstützende Struktur elastisch in Abhängigkeit von dem Druck, der von dem vorbeigehenden Wälzelement ausgeübt wird (höhere Kompression). Somit stellen die Täler 50 Punkte einer maximalen Deformation einer Stützstruktur und eines maximalen Ausgangs von dem Sensor dar. Andererseits stellen Spitzen 48 Punkte von Zugspannung dar, wenn zwei Wälzelemente die Sensorstelle über brücken. Eine (nicht gezeigte) Steuereinheit ist mit leitfähigen Drähten 46 verbunden und empfängt dadurch elektrische Signale, die von den Sensoren 44 abgegeben werden.

Die Lagergeschwindigkeit wird aus dem Vorbeigang der Wälzelemente an den Sensoren bestimmt. Jeder Vorbeigang eines Wälzelements ist charakterisiert durch ein Tal, eine Spitze und zwei Null-Durchgänge. Das heißt, für jeden Vorbeigang eines Wälzelements wandert die Ablesung der Beanspruchung von einem Tal aufwärts durch einen Null-Durchgang zu einer nachfolgenden Spitze, dann zurück nach unten durch einen Null-Durchgang zu dem nächsten Tal.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die aufwärts gerichteten Null-Durchgänge für ein ausgewähltes Meßgerät bestimmt. Das Kriterium, das zum Auswählen des Meßgeräts zur Zeitbestimmung des Wälzelementdurchgangs verwendet wird, besteht darin, daß es in dem belasteten Abschnitt des Lagers sein muß, wo die Wälzelemente kontinuierlich in Kontakt mit dem Laufring sind. In diesem Fall ist ein Signal zuverlässig vorhanden. Die Zeitdauer zwischen aufwärts gerichteten Null-Durchgängen stellt die Geschwindigkeit des Wälzelementdurchgangs an den Sensoren an dem Laufring dar, an dem sie installiert sind. Vor der Bestimmung, wo die Null-Durchgänge auftreten, können die Daten der Beanspru chungsmeßgeräte zuerst gefiltert werden, um Frequenzen auszuschließen, die weit unterhalb der Frequenz des Wälzelementdurchgangs liegen (insbesondere die Null-Frequenz-Komponen te oder der Versatz, der in den Daten vorhanden sein kann). Dieser Vorgang wird unter Verwendung entweder eines Bandpaßfilters oder eines Hochpaßfilters durchgeführt. Eine äquivalente Technik würde darin bestehen, ein Lowpass-Filter auf das Signal anzuwenden und dann das Ergebnis von dem ursprünglichen Signal abzuziehen. Jedes Verfahren zum wirk samen Entfernen dieses Niedrig-Frequenz-Anteils kann verwendet werden, um die Zuverläs sigkeit des Null-Durchgangsbetriebs zu erhöhen.

Nachdem die aufwärts gerichteten Null-Durchgänge festgestellt sind, werden die nachfolgende Spitze und das nachfolgende Tal als die charakteristischen Beanspruchungen für diesen Wälzelementdurchgang aufgezeichnet. Während die Spitzen und Täler direkt bestimmt werden könnten, bietet die Verwendung der Null-Durchgänge ein genaueres und zuverlässigeres Verfahren zum Lokalisieren der Spitzen und Täler, da es gegenüber Geräuschwerten und Spurenwerten weniger empfindlich ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Sensoren 44 in der Form von Dehnungsmeßstreifen, deren Widerstand sich in Abhängigkeit von der Verformung ändert. Jedoch können die Sensoren 44 auch die Form von Lastzellen oder anderen Arten von Sensoren haben, die im Stand der Technik bekannt sind.

Die in den nachfolgenden Berechnungen verwendeten Ausgangssignale stammen von Deh nungsmeßstreifen, die in einem stationären inneren Laufring montiert sind und die gleich mäßig um einen Radius des inneren Laufrings herum verteilt sind. Die Ausgangssignale variieren mit dem Vorbeigang der Wälzelemente an den Dehnungsmeßstreifen.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Meßgeräte entsprechend der Teilung oder dem Abstand der entsprechenden Wälzelemente angeordnet. Dies liefert gleichzeitige Ablesungen von allen Sensoren, erfordert aber auch unterschiedliche Meßgerä teanordnungen für Lager, die unterschiedliche Anzahlen von Wälzelementen haben.

Gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Meßgeräte gegenüber einer gleichförmigen Teilung um einen vorbestimmten Betrag versetzt, so daß alle Meßgeräte ihre Messungen sequentiell durch einen Datenkanal liefern, jedoch mit einer mehr komplexen Verarbeitung, um die Spitzen und die Täler von den Daten zu trennen, die durch jedes Meßgerät geliefert werden. Demgemäß kann eine Geschwindigkeitsmessung des Lagers eine verbesserte Auflösung haben, und die Anzahl der benötigen Datenkanäle, um Ablesungen von den Meßgeräten abzunehmen, kann vermindert werden. Tatsächlich können Ablesungen von allen Meßgeräten durch einen Kanal abgenommen werden, selbst wenn sie der Teilung entsprechen, und zwar durch schnelles Abtasten (rapid sampling), obwohl die aktuellen Spitzenablesungen von jedem Meßgerät bei einer niedrigen Abfragerate ausfallen können.

In jedem Fall ermöglicht die oben beschriebene Technik des Null-Durchgangs, die zur Zeitbestimmung der Rollendurchgänge verwendet wird, viele Anordnungen von Meßgeräten. Dies liegt daran, daß die Phasenverschiebung zwischen den Meßgeräten eliminiert wird, wenn man annimmt, daß die Ablesungen von allen Meßgeräten während eines Rollendurchgangs zu der gleichen Zeit auftreten wie die Ablesung von dem für die Geschwindigkeitsmessung ausgewählten Meßgerät. Andere Techniken könnten verwendet werden, bei denen die Zeit jeder Messung genau aufgezeichnet wird und die Phasenbeziehung zwischen den Meßgeräten aufrechterhalten wird, aber die Verarbeitung ist bei Verwendung der bevorzugten Technik einfacher, und der Fehler ist auf die Dauer eines Rollendurchgangs begrenzt. Wie unten beschrieben wird, ist die Dauer des Durchgangs eines Wälzelements sehr klein.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines Systems 52 zum Bestimmen und Analysieren von Echt zeitdaten eines Lastbereichs für ein Wälzelementlager. Das System 52 weist eine Vielzahl von "n" Sensoreinheiten 54 auf, die Echtzeit-Sensordaten abgeben, die der Last von einer Vielzahl von Wälzelementen in Wälzelementlagern entsprechen. Die Steuereinheit 56 ist vorzugsweise ein Mikroprozessor.

Die Steuereinheit 56 analysiert den Sensordatenausgang von den Sensoren 54 und berechnet Lastdaten, was die Lastzone des Lagers charakterisiert. Die Lastdaten werden dann in Echtzeit durch ein Lastdisplay 58 dargestellt. Die Steuereinheit 56 berechnet auch Lebensdauerdaten aus den Sensordaten und sagt daher eine nutzbare Lebensdauer des Lagers in Echtzeit voraus. Die Steuerdaten werden durch ein Lebensdauerdisplay 60 angezeigt. Die Steuereinheit 56 kann zusätzlich Diagnosedaten erzeugen, die die Betriebsbedingungen des Systems 52 überwachen. Die Diagnosedaten werden in Echtzeit durch ein Diagnosedisplay 62 dargestellt.

Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm einer Sensoreinheit 54, wenn der Sensor die Form eines Dehnungsmeßstreifens hat. Jede Sensoreinheit 54 weist einen Sensor 44 auf, der vorzugsweise ein Dehnungsmeßstreifen ist. Der Sensor 44 ist in dem schematischen Dia gramm der Fig. 6 als variabler Widerstand modelliert. Der Sensor 44 wird dann mit einer ¹/₄-Brückenschaltung 43 zur Vervollständigung verbunden, die Widerstände R1, R2 und R3 hat. Leistung wird der Vervollständigungs-Brückenschaltung 43 über eine Leistungsversor gung 64 zugeführt. Während eine ¹/₄-Brückenschaltung vorzuziehen ist, kann auch eine ¹/₂- Brückenschaltung oder eine volle Brückenschaltung mit zusätzlichen Dehnungsmeßstreifen verwendet werden. Der Ausgang von der Brückenschaltung wird dann auf einen Verstärker 66 gegeben, um das Signalniveau anzuheben, wodurch es gegenüber Geräuschen weniger empfindlich gemacht wird. Das resultierende Analogsignal wird dann durch ein optionales Lowpaß-Filter 67 geschickt und wird durch einen A/D-Wandler 68 in digitale Form umge wandelt.

BERECHNUNG DER LAGERLEBENSDAUER

Herkömmlicherweise hat die Berechnung der Lagerlebensdauer mit Messungen der gesamten, auf ein Lager aufgebrachten Last begonnen, und es wurden mathematische Manipulationen verwendet, um die Wälzelementbelastungen zu berechnen und die Lagerlebensdauer vorherzu sagen. Beispielsweise zeigt Fig. 7 (Stand der Technik) ein Fließdiagramm einer herkömm lichen Berechnung der Lagerlebensdauer. Im Schritt 1 werden die gesamten Systembelastun gen abgeschätzt oder gemessen. Bevor die Verarbeitung beginnt, werden in Schritt 2 die Lager- und Stützgeometrien bestimmt und als mathematische Beziehungen ausgedrückt. Als nächstes werden in Schritt 3 strukturelle Verformungen in dem Lager unter Verwendung der Finite-Elemente-Analyse berechnet.

Individuelle Rollenbelastungen werden dann in Schritt 4 mit Hilfe einer analytischen Be stimmung der Lastverteilung berechnet, basierend auf der Geometrie des Lagers, der Steifig keit der Stützstruktur, dem Spiel in dem Lager und dem Spiel zwischen dem Lager und der Stützstruktur. Es wird dann ein Wert erhalten, der die berechnete Last für jedes Wälzelement darstellt. Unter Verwendung der berechneten Wälzelementlasten wird dann in Schritt 5 die Lagerlebensdauer berechnet. Das konventionelle Verfahren zum Berechnen der Lagerlebens dauer verwendet jedoch typischerweise die Dimensionswerte, Rundheit und Steifigkeit des Lagers und der Stützstruktur aus Herstellungszeichnungen oder aus Messungen. Wenn jedoch diese Werte gemessen werden, schließen sie nicht Variationen ein, die typischerweise zwi schen verschiedenen Installationen auftreten. Demgemäß kann die Verteilung der gesamten Last auf die Wälzelemente nicht genau analytisch bestimmt werden aufgrund einer Anzahl von Faktoren, einschließlich der Deformation der inneren und äußeren Laufbahnen und der Deformationen der Wälzelemente selbst.

Darüber hinaus können andere Strukturen in der Lageranordnung, wie beispielsweise eine hohle Spindel, nachgeben und dadurch den Belastungsbereich um die Wälzelemente herum uncharakteristisch aufteilen. Kurz gesagt, macht es die Anzahl von Variablen und Unter schieden in den Herstellungstoleranzen zwischen scheinbar identischen Lagern außerordentlich schwierig, einen Belastungsbereich um ein Lager herum ohne mehrfache Messungen um die inneren und äußeren Laufringe des Lagers herum genau vorherzusagen. Darüber hinaus sind herkömmliche Verfahren zum Vorhersagen der Lagerlebensdauer mehr für Laboratoriums versuche geeignet, und sie eignen sich daher nicht ohne weiteres für Echtzeitanwendungen.

Fig. 8 ist ein Fließdiagramm eines Verfahrens zum Vorhersagen der Lagerlebensdauer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß Fig. 8 werden in Schritt 1 Rollenlasten, die einer Vielzahl von Wälzelementen entsprechen, direkt an einem Wälzelementlager gemessen. In Schritt 2 wird die Lagerlebensdauer direkt aus den gemessenen Rollenlasten berechnet.

Fig. 9 ist ein Fließdiagramm eines Verfahrens zum Vorhersagen der Lagerlebensdauer gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Fließdiagramm von Fig. 9 ver anschaulicht auch ein Verfahren zum Charakterisieren eines Lastbereichs eines Lagers.

In Schritt 1 von Fig. 9 wird eine Vielzahl von Sensoren durch Verwendung eines Kalibrier vorgangs kalibriert. Vorzugsweise haben die Sensoren die Form von Dehnungsmeßstreifen. Jedoch können die Sensoren auch die Form von Lastzellen oder anderen Sensorvorrichtungen haben, die im Stand der Technik bekannt sind.

In Schritt 2 rotiert das Lager. In diesem Schritt werden Betriebsdrücke auf das Lager aufge bracht, wenn das Lager in einer Versuchsanwendung benutzt wird. Andererseits kann das Lager während des tatsächlichen Betriebs rotieren, z. B. während des tatsächlichen Betriebs des Lagers in seiner vorgesehenen Anwendung. Die gemessenen Sensorlasten, d. h. Be anspruchungen, werden dann während des Betriebs gemessen.

In Schritt 3 werden die Rollendurchgänge aus den Sensordaten für jeden der Sensoren als Spitzen und Täler extrahiert, und eine graphische Darstellung kann erhalten werden, z. B. wie in Fig. 4 veranschaulicht.

In Schritt 4 werden die individuellen Lastkomponenten aus den extrahierten Spitzen und Tälern in Kombination mit den in Schritt 1 berechneten Kalibrierungsfaktoren berechnet. Wenn einmal die Lastkomponenten für jeden der Sensoren in dem Lager berechnet sind, kann eine Anzahl verschiedener Berechnungen durchgeführt werden, die die Daten der Last komponenten verwenden. Beruhend auf den in Schritt 4 erhaltenen Daten der Lastkomponen ten kann die gesamte auf das System aufgebrachte Belastung in Echtzeit berechnet werden. Es ist oft schwierig oder sogar unmöglich, die gesamte aufgebrachte Systemlast durch Verwendung herkömmlicher Verfahren während des tatsächlichen Betriebs des Lagers in einer Maschine zu erhalten.

In Schritt 5 werden die X- und Y-Kraftkomponenten, wie in Fig. 1 veranschaulicht, aus den individuellen Lastkomponenten berechnet.

In Schritt 6 werden die individuellen X- und Y-Komponenten aller Lager in einem System aufsummiert, um eine gesamte aufgebrachte Systemlast und die gesamten Systemmomente zu bestimmen.

Zusätzlich kann in Schritt 7 die Lagerlebensdauer direkt aus den Wälzelementlasten berechnet werden, die in Schritt 4 bestimmt wurden, und zwar unter Verwendung der berechneten Lastkomponenten.

KALIBRIERUNGSVORGANG

Die Sensoren in der Form von Dehnungsmeßstreifen werden vorzugsweise gegenüber einem gemessenen Wert der Last von einer repräsentativen Lagerinstallation einer bestimmten Größe kalibriert, die überwacht werden soll. Diese Kalibrierung kann auch in Verbindung mit der Anwendung einer Vorlast während des Einbaus des Lagers durchgeführt werden.

Während dieses Kalibrierungsvorgangs muß das Lager gedreht werden, um die Veränderung der Beanspruchung aufzuzeichnen, wenn das Wälzelement an jedem Meßstreifen vorbeigeht. Dies ergibt eine Kurve der aufgebrachten axialen Last gegenüber der gemessenen Beanspru chung für jeden Meßstreifen. Ein ähnliches Verfahren kann für andere Arten von Sensoren, wie beispielsweise für Lastzellen, verwendet werden.

Der Kalibrierungsvorgang kann unter Verwendung einer axialen Kraft für ein Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden, das auf Schrägrollenlager ange wandt wird. Die Fig. 10A und 10B veranschaulichen eine perspektivische Seitenansicht und eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in der Form eines Schrägrollenlagers 70. Dieses Lager könnte entweder ein Radiallager oder ein Axiallager sein, abhängig von dem Lagerkontaktwinkel, wie es unten beschrieben wird. Das Schrägrollenlager 70 weist eine Vielzahl von Wälzelementen 72 auf, die die Rotation zwischen einer inneren Laufbahn 74 und einer äußeren Laufbahn 76 übertragen. Schrägrollenlager haben die Fähig keit, unter Anwendung von radialen und axialen Kräften zu rotieren. Da Schrägrollenlager auf radiale oder axiale Kraft ansprechen, kann ein Druck axial aufgebracht und in eine Kraft in der Rollenrichtung übertragen werden. Wie in Fig. 10B veranschaulicht ist, kann eine Kraft senkrecht zu den Wälzelementen F_ROLLE in bezug auf F_AXIAL und F_RADIAL aufgespalten werden.

Während des Kalibrierungsvorgangs für Schrägrollenlager wird die axiale Komponente der Last an jeder Rolle F_AXIAL so bestimmt, daß sie gleich der aufgebrachten axialen Last geteilt durch die Anzahl von Rollen ist. Die aufgebrachte axiale Last wird in die Rollenrichtungs kraft F_ROLLE (definiert als die Richtung normal zu der Laufbahn) aufgeteilt durch Teilen durch den Sinus des Lagerkontaktwinkels θ, der für die inneren und äußeren Laufbahnen eines Schrägrollenlagers unterschiedlich ist. Der Lagerkonuswinkel ist der Winkel zwischen der Oberfläche der inneren Laufbahn und der Horizontalen. Dieser Winkel wird bei der Be rechnung der Rollenlast verwendet, wenn die Sensoren auf der inneren Laufbahn oder dem Konus angebracht sind. Der Lagernapfwinkel ist der Winkel zwischen der Oberfläche der äußeren Laufbahn und der Horizontalen. Dieser Winkel wird bei der Berechnung der Rollen last verwendet, wenn die Sensoren an der äußeren Laufbahn oder dem Napf angebracht sind.

Fig. 12 veranschaulicht die axialen Lasten an jedem Sensor direkt aufgetragen gegen die gemessene Beanspruchung für jeden Sensor, wenn die axiale Kraft F_AXIAL erhöht wird. Dies hat eine Reihe von Graphen zur Folge, d. h. Last/Beanspruchungs-Graphen, die die Axiallast F_AXIAL gegen die gemessene Beanspruchung für jeden der Sensoren darstellen. Der Last/Beanspruchungs-Graph sollte für jeden Sensor ähnlich sein. Um die Berechnungen für Zwecke der Kalibrierung zu vereinfachen, können alle Last/Beanspruchungs-Graphen durch eine einzige Linie modellhaft wiedergegeben werden, die eine Neigung hat, die gleich einem Durchschnitt der individuellen Neigungen der Last/Beanspruchungs-Graphen hat. Diese Neigung wird dann als Kalibrierungsfaktor bei der Berechnung der Rollenlast verwendet, wie es unten beschrieben wird.

Der Kalibrierungsvorgang ist abhängig von der Art des verwendeten Lagers unterschiedlich. Jedoch ist das Endergebnis des Kalibrierungsvorgangs für unterschiedliche Arten von Lagern ein Kalibrierungsfaktor (entweder linear oder nicht linear), der die Beziehung der Rollenlast F_AXIAL und der gemessenen Beanspruchung wiedergibt.

BESTIMMUNG DER LAGERLEBENSDAUER

Die algebraischen Zeichen der unten diskutierten Beanspruchung folgen der Standard-Konven tion mit Zugbeanspruchung positiv und Druckbeanspruchung negativ. Während des Betriebs des Lagers werden durch jeden Sensor Hoop-Beanspruchungen (Umfangsspannungen) gemessen. Die sich ergebenden Daten sind zyklisch und haben eine Frequenz gleich der Anzahl von Durchgängen für jedes Wälzelement in bezug auf jeden Sensor.

Wenn die Sensoren an der inneren Laufbahn angebracht sind, erscheinen die Werte, die aufgezeichnet werden, wenn ein Wälzelement an jedem Sensor vorbeigeht, als Punkte von relativer maximaler negativer Beanspruchung oder relativer minimaler positiver Beanspru chung (höherer Druck). Die Werte, die aufgezeichnet werden, wenn zwei Wälzelemente jeden Sensor überbrücken, erscheinen als relative maximale positive Beanspruchung oder relative minimale negative Beanspruchung (höhere Zugspannung). Wenn die Sensoren an der äußeren Laufbahn angebracht sind, erscheinen die Werte, die aufgezeichnet werden, wenn ein Wälz element an jedem Sensor vorbeigeht, als Punkte relativer maximaler positiver Beanspruchung oder relativer minimaler negativer Beanspruchung (höhere Zugspannung). Die Werte, die aufgezeichnet werden, wenn zwei Wälzelemente jeden Sensor überbrücken, erscheinen als relative maximale negative Beanspruchung oder relative minimale positive Beanspruchung (höherer Druck).

Wenn die Sensoren an der inneren Laufbahn angebracht sind, entsprechen die Punkte relativer maximaler positiver Beanspruchung oder relativer minimaler negativer Beanspruchung den Spitzen der in Fig. 4 aufgezeichneten Wellenform und veranschaulichen die Reaktion der inneren Laufbahn auf die an dem Lager aufgebrachte Last. Die Punkte der relativen maxima len negativen Beanspruchung oder der relativen minimalen positiven Beanspruchung ent sprechen den Tälern der in Fig. 4 aufgezeichneten Wellenform und stellen die Beanspruchung aufgrund der Belastung des Wälzelements dar, das an den Meßstreifen vorbeigeht, zusätzlich zu der Reaktion gegenüber der Last von den anderen Wälzelementen, wie es oben beschrie ben wurde. Daher ist die Beanspruchung aufgrund der Wälzelementlast allein die Differenz zwischen den Tälern und Spitzen der Wellenform. Dies wird als Umfangsbeanspruchung des Wälzelements bezeichnet.

Die äquivalente Wälzelementlast für jeden aufgezeichneten Wert der Beanspruchung wird erhalten durch Multiplizieren der Wälzelement-Umfangsbeanspruchung an jedem Zeitpunkt mit dem Kalibrierungsfaktor, der in dem Kalibrierungsvorgang bestimmt wurde. Dies wird in horizontale und vertikale Komponenten an der Winkelstellung des Dehnungsmeßstreifens an der Lagerlaufbahn aufgelöst. Durch Summieren ähnlicher Komponenten über alle Meßstreifen an jeder Lagerlaufbahn und anschließendes Berechnen der Größe und des Winkels des resultierenden Vektors wird die gesamte auf das System aufgebrachte Last bestimmt.

Bei einem Paar von einander gegenüberliegenden Lagern in einer komplementären An ordnung, wie beispielsweise bei Lagern für Lastwagenräder, ist die Summe der vertikalen Lastkomponenten die gesamte aufgebrachte Radiallast. Die Summe der horizontalen Kompo nenten in der Bewegungsrichtung ist die Zuglast. Die Summe der horizontalen Komponenten in der axialen Richtung (mit entgegengesetztem Vorzeichen für jedes Lager aufgrund von deren Orientierung) ist die Axiallast.

Das Rollmoment ist das Produkt der vertikalen Komponente und des Abstands von dem Lastzentrum jeder Lagerlaufbahn zu dem Punkt des Angriffs der Last. Das Giermoment oder Wenderollmoment ist das Produkt der horizontalen Komponente in der Bewegungsrichtung und des Abstands von dem Lastzentrum jeder Lagerlaufbahn zu dem Punkt des Lastangriffs. Das System stützt aufgrund seiner Rotation nicht ein Moment um die Lagerachse ab.

DETAILLIERTE BERECHNUNGEN

Die Sensordaten werden durch ein Low-Pass-Filter 67, wie in Fig. 6 veranschaulicht, geleitet, um jegliche Scheinanzeigen zu eliminieren. Jedoch kann das Low-Pass-Filter 67 durch die Steuereinheit 56 erfüllt werden, nachdem die Sensordaten in digitale Form umgewandelt wurden. Zusätzlich können die Sensordaten durch das Low-Pass-Filter 67 geleitet werden und dann einer weiteren Konditionierung durch ein digitales Filter in der Steuereinheit 56 unter worfen werden.

Nachdem das Sensor-Datensignal konditioniert worden ist, werden die Spitzen und die Täler in der Steuereinheit 56 extrahiert unter Verwendung eines Algorithmus, der die Spitzen herauspickt. Die Last an jeder Rolle und deren axiale und radiale Komponenten werden dann für ein Ausführungsbeispiel eines Schrägrollenlagers wie folgt berechnet:
Zunächst werden die Beanspruchungsablesungen in äquivalente axiale Lasten umgewandelt, unter Verwendung der Neigung, die während des oben beschriebenen Kalibrierungsvorgangs berechnet wurde.

Fax_ij = Beanspruchung_ij/N × a
wobei
Fax_ij = axiale Komponente der Last für die j-ste Rolle während der i-ten Zeitabfrage
Beanspruchung_ij = gemessener Wert der Beanspruchung an der j-sten Rolle während der i-ten Abrage (µ ε)
N = Anzahl der Rollen
a = Kalibrierungsfaktor zum Umwandeln der Beanspru chungsablesungen in Axiallasten (lbs /µ ε).

Dann werden die axialen Komponenten der Last in radiale und Rollenkomponenten unter Verwendung des Kontaktwinkels des Lagers umgewandelt. Variable, die sich auf individuelle Proben beziehen, werden mit einem unteren Index i bezeichnet; und Variable, die sich auf individuelle Rollen beziehen, werden ebenfalls mit einem unteren Index j bezeichnet:

Frad_ij = Fax_ij/tany
Frolle_ij = Fax_ij/siny
wobei
y = Kontaktwinkel des Lagers
Frad_ij = Radiale Komponente der Last für die j-ste Rolle während der i-ten Zeitabfrage
Frolle_ij = Last an der j-sten Rolle während der i-ten Zeitabfrage.

Die radiale Komponente wird ferner in x- und y-Komponenten in der Ebene des Lagers wie folgt aufgelöst:

(Frad_ij)_x = Frad_ij cosδ_j
(Frad_ij)_x = Frad_ij cosδ_j

wobei δ_j = der Winkel der j-sten Rolle in der lotrechten Ebene ist.

Die gesamte Last an dem Lager in der lotrechten Richtung und in der Bewegungsrichtung sind die x- und y-Komponenten, summiert über die n Rollen. Bei einem Ausführungsbeispiel, das zwei Lager für eine einzige Achse hat, d. h. ein inneres Lager (IB) und ein äußeres Lager (OB), wird die gesamte Last an dem Lager zusätzlich über beide Lager wie folgt aufsum miert:

Die dritte Komponente des cartesischen Raums liegt in der axialen Richtung, wobei die Kraft oben definiert wurde als die gemessene Beanspruchung geteilt durch den Kalibrierungsfaktor. Diese Kräfte werden über die Rollen für die beiden inneren und äußeren Lager aufsummiert, um die axiale Komponente der aufgebrachten Last zu erhalten:

Der gesamte Kraftvektor ist dann die Resultierende dieser drei Komponenten, deren Größe und Richtungen definiert sind als:

wobei
Winkel 1_i = der Winkel des Kraftvektors in der lotrechten (x-y) Ebene für die i-te Zeitabfrage
Winkel 2_i = Winkel des Kraftvektors in der horizontalen (y-z) Ebene für die i-te Zeitabfrage.

BERECHNUNG DER LAGERLEBENSDAUER

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Lagerlebensdauer für Wälzelementlager bei jeder Zeitabfrage wie folgt berechnet:

wobei
Lebensdauer_i = Schätzung der Lebensdauer für den i-ten Zeitschritt (Stunden)
Geschwindigkeit_i = Rotationsgeschwindigkeit des Lagers bei der i-ten Zeitabfrage
Kapazität = gesamte Lagerkapazität
p = 3 für Kugellager 10/3 für Rollenlager
K = Proportionalitätskonstante.

Dies ist eine Vorhersage, wie lange das Lager aushalten würde, wenn die während jeder Zeitabfrage auftretenden Bedingungen sich fortsetzen würden, bis ein Ausfall des Lagers eintreten würde.

Jede Zeitabfrage wird dann als separater Satz von Betriebsbedingungen behandelt und wie folgt hinzuaddiert:

vorausgesetzt, daß die Zeit zwischen jeder Zeitabfrage die gleiche ist,
wobei
p_i = Prozentanteil der Zeit, während welcher das Lager bei der i-ten Be triebsbedingung arbeitet
Lebensdauer_i = geschätzte L₁₀ Lebensdauer für die i-te Probe
t = Anzahl von Zeitabfragen.

Der berechnete Wert für die geschätzte Lagerlebensdauer während jeder Zeitabfrage wird direkt angezeigt, um den Benutzer mit einem Indikator für die Bewertung der Lagerleistung in Echtzeit zu versorgen. Der berechnete Wert wird dann multipliziert mit der Dauer der Zeit der Lastaufbringung und iterativ summiert, um eine Abschätzung der zu erwartenden theoreti schen Lebensdauer des Lagers zu liefern. Dies wird dem Benutzer angezeigt, um die Notwen digkeit für eine Wartung des Lagers zu identifizieren.

TEMPERATUR-KOMPENSATION

Die Sensoren haben vorzugsweise die Form von Dehnungsmeßstreifen, die auf Veränderun gen der Temperatur reagieren. Dehnungsmeßstreifen werden herkömmlicherweise hergestellt durch Aufbringen eines dünnen Metallstreifens auf einen Polymerfilm. Der Polymerfilm wird dann auf eine Oberfläche geheftet, um die Beanspruchung zu messen. Vor dem Aufbringen der Beanspruchung wird ein elektrischer Strom durch den Meßstreifen geleitet, und der elektrische Widerstand wird gemessen. Beim Aufbringen einer Last auf den Dehnungs meßstreifen verformt sich der Metallstreifen physikalisch zusammen mit der Oberfläche, auf der er aufgebracht ist. Wenn sich das Metall physikalisch verformt, ändert sich der elektrische Widerstand, und die Veränderung des Widerstands wird in eine Beanspruchung umgewandelt. Der Meßfaktor ("GF") eines Dehnungsmeßstreifens ist wie folgt:

wobei
GF = Meßfaktor
ΔR = Veränderung des Widerstands des Dehnungsmeßstreifens
R = Widerstand des Dehnungsmeßstreifens bei Umgebungstemperatur = Veränderung der physikalischen Länge des Dehnungsmeß streifens
L = Länge des Dehnungsmeßstreifens bei Umgebungstemperatur
Beanspruchung = ΔL/L.

Mit anderen Worten, durch Messen der Veränderung des Widerstands in dem Meßstreifen kann die Veränderung in der Beanspruchung des Musters in einzigartiger Weise bestimmt werden.

Im allgemeinen kann die Auswirkung der Temperatur auf die Genauigkeit der obigen Be rechnungen als vernachlässigbar angesehen werden. Die Wirkung der Temperatur wird deswegen als vernachlässigbar angesehen, weil die vorliegenden Dehnungsmeßstreifen eine Veränderung in der Beanspruchung, wie in Fig. 4 veranschaulicht, messen anstelle einer absoluten Beanspruchung. Demgemäß werden lineare Temperatureffekte auf die Dehnungs meßstreifen durch Subtraktion eliminiert. Nicht lineare Temperatureffekte werden ferner als vernachlässigbar angesehen aufgrund der relativ kleinen Veränderungen der Temperatur, wenn sich das Lager einmal bei einer Betriebstemperatur stabilisiert hat. Jedoch ändert sich auch der elektrische Widerstand des dünnen Metallstreifens in Abhängigkeit von einer Veränderung der Temperatur.

Nichtsdestoweniger können zahlreiche Verfahren verwendet werden, um eine Temperatur kompensation derart zu schaffen, daß die Genauigkeit der Berechnungen verbessert werden kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Lagersystem bezüglich der Temperatur justiert, indem zuerst der Ausgang der Dehnungsmeßstreifen unter einer Nicht belastungs-Bedingung aufgezeichnet wird, während die Temperatur variiert wird. Der Aus gangswiderstand des Dehnungsmeßstreifens wird dann für eine Vielzahl von vorbestimmten Temperatur-Intervallen aufgezeichnet. Der Ausgangswiderstand wird als "scheinbare Be anspruchung" bezeichnet, und die Werte werden in einer Nachschlagetabelle für späteren Aufruf gespeichert.

Während des Betriebs des Lagersystems unter einer Belastungsbedingung wird die Wider standskomponente der Temperatur zusammen mit der Widerstandskomponente der Beanspru chung gemessen. Mit anderen Worten, die Beanspruchung, die von dem Meßstreifen ausge geben wird, umfaßt die aktuelle Beanspruchung plus die scheinbare Beanspruchung (aufgrund der Temperatur). Bei diesem Zusammentreffen kann die aktuelle Temperatur des Lagers gemessen werden und die scheinbare Beanspruchung, die der gemessenen Temperatur ent spricht, kann aus einer Nachschlagetabelle bestimmt werden. Die Nachschlagefunktion kann von Hand durchgeführt werden, und die Daten können entsprechend berichtigt werden. Andererseits kann die Steuereinheit 56 die Nachschlagefunktion mittels Software durchführen. Diese Art der Temperaturkompensation wird als intelligente Temperaturkompensation be zeichnet. Um die tatsächliche Beanspruchung zu erhalten, wird somit die scheinbare Be anspruchung von der gesamten gemessenen Beanspruchung wie folgt abgezogen:

Beanspruchung_tatsächlich = Beanspruchung_gemessen - Beanspruchung_scheinbar

Eine andere Art der Temperaturkompensation kann durchgeführt werden, indem man einen zweiten Dehnungsmeßstreifen an einer nicht belasteten, auf Temperatur ansprechenden Stelle des Lagers anbringt. In dieser Beziehung sollte der zweite Dehnungsmeßstreifen so dicht an dem ersten Dehnungsmeßstreifen angeordnet werden, um sich entsprechend mit der Tempera tur zu verändern. Der zweite Dehnungsmeßstreifen kann an einer nicht belasteten Stelle des Lagers angebracht werden, indem man einfach den Meßstreifen um 90 Grad gegenüber dem ersten Dehnungsmeßstreifen verdreht. Der Ausgang des zweiten Dehnungsmeßstreifens wird dann in der Stellung X, wie in der Brückenschaltung von Fig. 6 angedeutet, verbunden. Da die Berechnung der Lagerlast und der Lagerlebensdauer aus der Differenz zwischen den maximalen und minimalen Beanspruchungen abgeleitet wird, (welches die Messungen sind, die aufgezeichnet werden, wenn die Rolle an dem Meßstreifen vorbeigeht), gehen die Wir kungen der Temperatur auf den Meßwiderstand nicht in das Ergebnis ein. Dies beruht darauf, daß sich die Temperatur zwischen diesen beiden Ablesungen nicht wesentlich ändert, da die Rolle an dem Meßstreifen in einer sehr kurzen Zeitdauer vorbeigeht, (z. B. beträgt bei einem Lager mit 20 Rollen, das auf einer Welle mit 120 U/min rotiert, die Zeit von einem Rollen durchgang zum nächsten längs der inneren Laufbahn etwa 50 Millisekunden). Dies wird berechnet aus der Wellengeschwindigkeit geteilt durch die Anzahl der Rollen mal einem Faktor, der für die meisten Lager etwa gleich 0,6 ist. Dieser Multiplikationsfaktor verändert sich mit der Geometrie des Lagers und ist etwa gleich 0,4 für die äußere Lagerlaufbahn. Es ist erforderlich, dem Unterschied zwischen der Geschwindigkeit der Wälzelemente an der inneren Laufbahn und der Geschwindigkeit der Wälzelemente an der äußeren Laufbahn gegenüber der Geschwindigkeit einer Laufbahn relativ zu der anderen Rechnung zu tragen.

Es gibt jedoch eine geringe Veränderung in dem Meßfaktor mit der Temperatur, die die Messung beeinflußt. Jedoch ist die Empfindlichkeit des Meßfaktors gegenüber der Temperatur so klein, daß sie typischerweise vernachlässigt wird. Z. B. stellt der Vishay Measurements Group Catalog 500 fest, daß die Veränderung des Meßfaktors für einen Temperaturanstieg um etwa 80°C (175°F) von etwa 24°C (75°F) auf etwa 121°C (250°F) etwa 1% beträgt. In der Praxis wurde gefunden, daß die Temperatur während des Betriebs von Lagern gemäß der vorliegenden Erfindung in der Größenordnung von 17°C (30°F) ansteigt. Dies bedeutet einen Effekt von etwa 0,16%. Wenn jedoch Messungen mit hoher Genauigkeit gemacht werden müssen, könnte der Fehler, wie oben dargestellt, eliminiert werden, indem man eine Nachschlagetabelle benutzt, die die Veränderung des Meßfaktors mit der Temperatur enthält.

SCHMIERUNGSKORREKTUR

Die oben dargestellte Vorhersage für die Lagerlebensdauer kann ferner wegen der Schmierung korrigiert werden. Ein Schmierungsfaktor zur Korrektur des Werts der Lagerlebensdauer hängt von einer Anzahl von Faktoren ab und verändert sich in bezug auf die Art des in Betracht kommenden Schmiermittels. Die meisten Schmiermittel für reibungsarme Lager haben eine Auswirkung auf die Lagerlebensdauer, die proportional der Fluidviskosität ist, wobei die Fluidviskosität von der Temperatur abhängt. Demgemäß kann die oben dargestellte Gleichung für die Lagerlebensdauer gemäß einer Nachschlagetabelle in der gleichen Art korrigiert werden, wie mit der oben dargestellten Nachschlagetabelle für den Dehnungsmeß streifen in bezug auf die Temperatur.

VORLASTÜBERWACHUNG

Die Vorlast in dem Lager wird durch eine Anzahl von Faktoren bestimmt, die alle in Bezie hung zu dem inneren Freiraum in dem Lager stehen. Mit anderen Worten, der Betrag der Vorlast steht in Beziehung zu dem physikalischen Raum, der für die Wälzelemente zwischen den inneren und äußeren Laufbahnen zur Verfügung steht. Die Vorlast wird allgemein dadurch auf das Lager aufgebracht, daß die innere Lagerlaufbahn und die äußere Lager laufbahn relativ zueinander verlagert werden, was den inneren Freiraum vermindert. Der Betrag der Vorlast, die auf das Lager aufgebracht worden ist, wird allgemein überwacht durch Messen der Axialkraft, die zum Erzeugen dieser Verlagerung erforderlich ist. Jedoch ist diese Technik ungenau, weil die Beziehung zwischen der aufgebrachten Kraft und der Verlagerung nicht linear ist. Eine Anzahl von Faktoren beeinflußt die Vorlast wie folgt:

1. Wenn der innere Freiraum in dem Lager abnimmt, wird das System steifer, was bedeutet, daß ein Anstieg der Last einen kleineren Anstieg der Verlagerung zur Folge hat;
2. wenn der Durchmesser der inneren Lagerlaufbahn bis zu dem Punkt vermindert wird, wo sie beginnt, die Welle zu berühren, und wenn der Durchmesser der äußeren Lagerlaufbahn sich bis zu dem Punkt ausdehnt, wo sie das Gehäuse berührt, wird das System sogar noch steifer aufgrund der zusätzlichen Abstützung der Struktur; und
3. wenn die innere Laufbahn beginnt, die Welle zu berühren, entwickelt sich eine Reibungskraft zwischen der Bohrung des inneren Laufrings und der Welle, so daß nicht mehr die gesamte auf das Lager aufgebrachte Kraft in dessen Verlagerung relativ zu dem äußeren Laufring eingeht. Eine analoge Situation besteht dann, wenn der äußere Laufring relativ zu dem inneren Laufring verlagert wird, wenn Vorlast aufgebracht wird.

Die obigen Effekte werden ersichtlich, wenn die Beanspruchung in dem Lagerlaufring gemessen wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 12 sind die oben geschilderten Effekte ersichtlich, wenn die Beanspruchung in dem Lagerlaufring gemessen wird. Es ist festzuhalten, daß die Veränderun gen in der Neigung auf der Erhöhung der Systemsteifigkeit und der Reibungskräfte beruhen. Daher ist es ohne weiteres ersichtlich, daß die Lagerbeanspruchung nicht proportional mit der Last ansteigt. Somit führt die konventionelle Methode der Berechnung der Lagerlast, wie oben in bezug auf Fig. 7 beschrieben, einen bedeutsamen Fehler ein.

Weil die Beziehung zwischen der aufgebrachten Axialkraft und dem Lagerfreiraum nicht linear ist, bietet die gemessene Beanspruchung eine bessere Anzeige der Vorlast als die aufgebrachte Axialkraft. Mit anderen Worten, durch Messen der Rollenlasten in dem Lager kann das Lager bis zu einem Wert der Rollenlast vorbelastet werden, anstatt bis zu einem Wert der aufgebrachten Axiallast.

ZUSÄTZLICHE ÜBERWACHUNGSINFORMATION

Das oben beschriebene System bietet eine Aussage über die auf das Lager aufgebrachten Lasten, die Lasten an individuellen Rollen und die geschätzte Lebensdauer des Lagers. Es sind jedoch noch andere Aussagen verfügbar, wie auch andere Informationen, die von der obigen Information wie folgt abgeleitet werden können.

Die äußere Last kann mit der vorliegenden Erfindung leicht bestimmt werden. Die Rollenla sten werden zum Zwecke des Bestimmens der Lagerlebensdauer berechnet. Jedoch können die äußeren Belastungen aus der Summe über eine Vielzahl von Lagern (in einem Mehrlager system) berechnet werden, indem man die Koordinaten-Komponenten von Fx, Fy und Fz aufsummiert. Zusätzlich können die Momente aus dem Unterschied dieser Komponenten mal dem Abstand zwischen den Lagern berechnet werden. Die Charakterisierung der äußeren Belastung auf die Lager kann für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden. Z. B. wäre in einem Fahrzeug mit an den Rädern installierten Lagern die Totale in der lotrechten Richtung eine Anzeige für das Fahrzeuggewicht. Dies könnte die Notwendigkeit eliminieren, Frachten tragende Fahrzeuge auf der Straße zu wiegen. Ein zweites Beispiel bezieht sich auf die industrielle Anwendung. Die gesamten Lastvektoren und -momente könnten verwendet werden, Ausrüstungsprobleme zu diagnostizieren oder Prozeßverbesserungen zu machen (z. B. zum Steuern der Materialdicke in Walzwerken). Weitere Anwendungen umfassen das Über wachen der durch eine Maschine geleisteten Arbeitsmenge (z. B. Überwachen der Anzahl von Spulen, die durch ein Werk hindurchgehen, oder der Belastungs/Geschwindigkeits-Geschichte von Maschinen, um die Wartung zu planen).

Die obige Information kann ferner dazu verwendet werden, die Lastverteilung zu charakteri sieren. Die Charakterisierung der Lastverteilung kann verwendet werden, um die das Lager abstützende Struktur zu beurteilen. Die Feststellung von mehrfachen Lastbereichen könnte z. B. eine schwache Stützstruktur anzeigen; Veränderungen in der Form der Lastzone unter gleichartig belasteten Lagern könnten anzeigen, daß ein Gehäuse oder eine Welle eine Unrundheit oder einen Zustand hohen Freiraums entwickelt hat.

Ferner kann der Zustand der Wälzkörper während des Betriebs beurteilt werden. Eine Beur teilung des individuellen Wälzkörpers innerhalb des Lagers kann dadurch vorgenommen werden, daß man die Belastungsdaten aussortiert, die von jedem Wälzkörper gesammelt werden, und die Unterschiede zwischen ihnen beobachtet. Mehrere Proben, die von dem gleichen Wälzkörper gesammelt werden, können miteinander zu einem Durchschnittswert gebracht werden, um die Zuverlässigkeit der Beurteilung zu verbessern. Beobachtungen mehrfacher Dehnungsmeßstreifen können weiterhin die Beurteilung verfeinern, obwohl diese zeitmäßig verschoben werden müssen, um direkt übereinanderzuliegen. Z. B. kann, wie in Fig. 11A veranschaulicht ist, eine Aufzeichnung von Durchschnittswerten von mehrfachen Be anspruchungsablesungen von jedem Wälzkörper gemacht werden. Aus der graphischen Darstellung von Fig. 11A ist es ersichtlich, daß es bei 1, 2 oder 3 Wälzelementen eine große Differenz gegenüber dem Rest der Wälzelemente gibt, wie es bei jedem Meßstreifen ersicht lich ist. Obwohl die Zacken in den Daten, die zu den Rollen gehören, nicht ausgerichtet sind, würden diese Daten direkt übereinander liegen, wenn sie gemäß der Position des Meßstreifens an der Laufbahn verschoben würden. Dies liefert eine Erkenntnis über ein Wälzelement, das eine Reparatur oder einen Austausch erfordern kann. Ein ähnliches Verfahren könnte verwen det werden, um den Zustand der Laufbahn gegenüber derjenigen zu beurteilen, an der die Lasten gemessen werden. Zusätzlich kann eine Überwachungsfunktion vorgesehen sein, um das Auftreten von Wälzelementlasten zu zählen, die einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten. Auf diese Weise können potentielle schädigende Ereignisse zum Zeitpunkt ihres Auftretens identifiziert werden.

SATZWEISE BERECHNUNGEN GEGEN ECHTZEIT-BERECHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um Wälzelementbelastungen und La gerlebensdauer als einzigen Satz von Berechnungen für ein diskretes Ereignis (oder eine Reihe von Ereignissen) von endlicher Dauer oder kontinuierlich für eine unbestimmte Dauer zu berechnen. Wenn die Berechnung für diskrete Ereignisse von begrenzter Dauer durch geführt wird, wird sie als satzweise Berechnung bezeichnet. Selbst wenn die Lagerlasten und die vorhergesagte Lebensdauer für jedes Zeitelement berechnet werden, werden die Daten in die Steuereinheit alle zugleich eingegeben, und die Berechnung wird nur für die vorgesehenen Proben durchgeführt. Die Ergebnisse werden dann von der Steuereinheit alle zugleich ausge geben.

Wenn die Berechnung kontinuierlich durchgeführt wird, sagt man, daß sie in Echtzeit durch geführt wird. Für eine Echtzeit-Berechnung wird ein Satz von Ablesungen von jedem Sensor in die Steuereinheit eingegeben, sobald er verfügbar ist. Die Berechnung wird dann unter Verwendung nur dieses Satzes von Ablesungen zusammen mit früheren Ablesungen durch geführt. Die Ergebnisse werden dann ausgegeben, bevor der nächste Satz von Proben verfüg bar wird. Auf diese Weise wird ein kontinuierlicher Strom von Ergebnissen von der Steuer einheit ausgegeben, solange das Lager in Betrieb ist.

Das vorstehende wird nur als Illustration für die Prinzipien der Erfindung angesehen, und da zahlreiche Modifikationen und Veränderungen den Fachleuten auf diesem Gebiet ohne weiteres zur Verfügung stehen, ist es nicht gewünscht, die Erfindung genau auf die gezeigte und beschriebene Konstruktion und Betriebsweise zu beschränken, und demgemäß sollen alle geeigneten Modifikationen und Äquivalente, die unter den Schutzumfang der folgenden Ansprüche fallen, eingeschlossen sein.

Claims

1. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen in einem Wälzelementlager, das eine Vielzahl von Wälzelementen hat, die zwischen einer inneren Laufbahn und einer äußeren Laufbahn angeordnet sind, mit

1. einer Vielzahl von Sensoren, die um eine der inneren Laufbahn und der äußeren Laufbahn des Lagers herum angeordnet sind, um Sensordaten auszugeben, die festgestellten Belastungen entsprechen, die durch die Wälzelemente verursacht sind;
2. einer Vielzahl von Verbindungsgliedern, die mit jedem der Vielzahl von Sensoren verbunden sind, um die Sensordaten zu übertragen; und
3. einer Steuereinheit zum Aufnehmen der Sensordaten von der Vielzahl von Ver bindungsgliedern und zur Vorhersage der Lagerlebensdauer aus den Sensordaten.

2. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 1, bei dem die Vielzahl der Sensoren gleichmäßig um eine Laufbahn des Lagers herum angeordnet sind.

3. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 2, bei dem jeder der Sensoren radial auf die Wälzelemente längs einer radialen Linie ausgerichtet ist, die sich von einer zentralen Achse des Lagers her erstreckt, wenn das Lager in Ruhe ist, derart, daß die Sensordaten gleichzeitig von jedem der Vielzahl der Sensoren in Echtzeit übertragen werden.

4. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 1, bei dem jeder der Sensoren radial auf die Wälzelemente längs einer radialen Linie ausgerichtet ist, die sich von einer zentralen Achse des Lagers her erstreckt, wenn das Lager in Ruhe ist, derart, daß die Sensordaten gleichzeitig von jedem der Vielzahl von Sensoren übertragen werden.

5. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 1, bei dem die Vielzahl der Sensoren drei Sensoren aufweist, die an Stellungen von 90°, 180° und 270° von einer lotrechten Linie durch die Achse des Lagers angeordnet sind.

6. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 5, bei dem die Vielzahl der Sensoren ferner einen vierten Sensor aufweist, der an einer Stelle von 0° gegenüber einer lotrechten Linie durch die Achse des Lagers angeordnet ist.

7. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 6, bei dem die Vielzahl der Sensoren ferner fünfte, sechste, siebente und achte Sensoren aufweist, die an Stellen von 45°, 135°, 225° und 315° angeordnet sind.

8. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 1, bei dem die Vielzahl der Sensoren acht Sensoren aufweist, die gleichmäßig um die eine Lauf bahn des Lagers herum angeordnet sind.

9. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 1, bei dem die Vielzahl der Sensoren fünf Sensoren aufweist, die gleichmäßig um einen Teil der einen Laufbahn des Lagers herum angeordnet sind.

10. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 1, bei dem die Sensordaten Geschwindigkeitsdaten aufweisen, die einer gemessenen Drehgeschwin digkeit des Lagers entsprechen, und die Steuereinheit die Lagerlebensdauer unter Verwendung der gemessenen Geschwindigkeitsdaten berechnet.

11. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 10, das ferner aufweist:

1. eine Temperaturmeßeinheit zum Messen der Lagertemperatur während der Dre hung des Lagers,
2. wobei die Steuereinheit die Lagerlebensdauer unter Verwendung der gemessenen Lagertemperatur, der Sensordaten und der gemessenen Lagergeschwindigkeit berechnet.

12. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 1, bei dem die Steuereinheit einen Belastungsbereich des Lagers in Echtzeit aus den Sensordaten bestimmt.

13. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen in einem Wälzelementlager mit einer Vielzahl von Wälzelementen, die zwischen einer inneren Laufbahn und einer äußeren Laufbahn angeordnet sind, mit

1. einer Vielzahl von Sensoren, die um eine der inneren Laufbahn und der äußeren Laufbahn des Lagers herum angeordnet sind, um Sensordaten auszugeben, die festgestellten Belastungen entsprechen, die durch die Wälzelemente bestimmt sind;
2. einer Vielzahl von Verbindungsgliedern, die mit jedem der Vielzahl von Sensoren verbunden sind, um die Sensordaten zu übertragen; und
3. einer Steuereinheit zum Aufnehmen der Sensordaten von der Vielzahl von Ver bindungsgliedern und zum Bestimmen eines Belastungsbereichs des Lagers aus den Sensordaten.

14. System zum Abfühlen nach Anspruch 13, bei dem die Steuereinheit die Sensordaten empfängt und den Belastungsbereich des Lagers in Echtzeit bestimmt.

15. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen in einem Wälzelementlager mit einer Vielzahl von Wälzelementen, die zwischen einer inneren Laufbahn und einer äußeren Laufbahn angeordnet sind, mit:

1. Einrichtungen zum Abfühlen individueller Lasten, die der Vielzahl der Wälz elemente entsprechen;
2. Einrichtungen zum Messen der Lagergeschwindigkeit während der Rotation des Lagers; und
3. Einrichtungen zum Berechnen der Lagerlebensdauer aus den individuellen Lasten und der gemessenen Lagergeschwindigkeit in Echtzeit.

16. System nach Anspruch 15, bei dem die Abfühleinrichtungen ferner einen Dehnungs meßstreifen in einer Brückenschaltung aufweisen, die Sensordaten der individuellen Lasten von der Vielzahl der Wälzelemente ausgibt.

17. System nach Anspruch 15, bei dem die Abfühleinrichtung eine Vielzahl von Sensoren aufweist, die gleichmäßig um eine der inneren Laufbahn oder der äußeren Laufbahn des Lagers herum derart angeordnet sind, daß jeder der Sensoren mit den Wälzelementen längs einer radialen Linie ausgerichtet ist, die sich von einer zentralen Achse des Lagers her erstreckt, wenn das Lager in Ruhe ist.

18. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 17, bei dem die Vielzahl von Sensoren fünf Sensoren aufweist, die gleichmäßig um einen Teil der Laufbahn des Lagers herum angeordnet sind.

19. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 17, bei dem die Vielzahl der Sensoren acht Sensoren aufweist, die gleichmäßig um eine der inneren Laufbahn und der äußeren Laufbahn des Lagers herum angeordnet sind.

20. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 15, das ferner aufweist:

1. Einrichtungen um Eingeben von Kapazitätsdaten derart, daß die Berechnungsein richtung die Lagerlebensdauer aus den individuellen Lasten, der gemessenen Lagergeschwindigkeit und den eingegebenen Kapazitätsdaten in Echtzeit be rechnet.

21. System zum Abfühlen der Belastungen von Wälzelementen nach Anspruch 15, bei dem die Berechnungseinrichtung einen Belastungsbereich des Lagers in Echtzeit aus den individuellen Lasten und der gemessenen Lagergeschwindigkeit bestimmt.

22. Verfahren zum Vorhersagen der Lagerlebensdauer in einem Wälzelementlager, mit den Schritten:

1. Abfühlen individueller Lasten, die durch eine Vielzahl von Wälzelementen in dem Wälzelementlager verursacht werden; und
2. Berechnen der Lagerlebensdauer aus den individuellen Lasten, die in dem Abfühl schritt abgefühlt werden.

23. Verfahren zum Bestimmen eines Belastungsbereichs in einem Wälzelementlager, mit den Schritten:

1. Abfühlen individueller Lasten einer Vielzahl von Wälzelementen in dem Wälz elementlager; und
2. Berechnen eines Belastungsbereichs aus den individuellen Lasten, die in dem Abfühlschritt abgefühlt werden.

24. Verfahren zum Berechnen von Lastkomponenten in einem Wälzelementlager, mit den Schritten:

1. Kalibrieren einer Vielzahl von Sensoren, die um eine der inneren Laufbahn und der äußeren Laufbahn des Lagers herum angeordnet sind, um eine Beziehung zwischen Rollenlast und gemessener Beanspruchung herzustellen;
2. Messen der Sensordaten von der Vielzahl der Sensoren während der Rotation des Lagers; und
3. Berechnen der Lastkomponenten, die jedem der Sensoren in dem Lager ent sprechen, um dadurch einen Lastbereich des Lagers zu charakterisieren.

25. Verfahren zum Berechnen von Lastkomponenten in einem Wälzelementlager nach Anspruch 24, das ferner den folgenden Schritt aufweist:

1. Extrahieren von Spitzen und Tälern aus den Sensordaten für jeden der Sensoren.

26. Verfahren zum Berechnen von Lastkomponenten in einem Wälzelementlager nach Anspruch 25, das ferner den Schritt aufweist:

1. Berechnen der Lagergeschwindigkeit aus dem Vorbeigang von Wälzelementen an den Sensoren.

27. Verfahren zum Berechnen von Lastkomponenten in einem Wälzelementlager nach Anspruch 26, das ferner den Schritt aufweist:

1. Vorhersagen der Lagerlebensdauer aus den berechneten Lastkomponenten und der berechneten Lagergeschwindigkeit.

28. Verfahren zum Berechnen der gesamten aufgebrachten Systembelastung in einem System, das eine Vielzahl von Wälzelementlagern aufweist, mit den Schritten:

1. Kalibrieren einer Vielzahl von Sensoren, die um jedes Wälzelementlager herum angeordnet sind, um eine Beziehung von Rollenlast und gemessener Beanspru chung zu modellieren;
2. Messen der Sensordaten von der Vielzahl der Sensoren für jedes der Wälz elementlager während der Rotation der Lager;
3. Extrahieren von Spitzen und Tälern von den Sensordaten für jeden der Sensoren entsprechend jedem der Wälzelementlager;
4. Berechnen der Lagergeschwindigkeit für jedes der Wälzelementlager aus dem Vorbeigang der Wälzelemente an den Sensoren;
5. Bestimmen senkrechter Kraftkomponenten für jedes der Lager aus den extrahier ten Spitzen und Tälern und aus der berechneten Lagergeschwindigkeit; und
6. Summieren jeder der entsprechenden kartesischen Kraftkomponenten für jedes der Lager, um die gesamte aufgebrachte Lagerbelastung zu erhalten.