DE2642044B1

DE2642044B1 - DEVICE FOR DETERMINING THE STATIC AND / OR DYNAMIC AXIAL THRUST OF A FIXED BEARING

Info

Publication number: DE2642044B1
Application number: DE19762642044
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Bauer Heinrich Franz; Gerhard Ing Helbling; Florian Hildebrandt
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1976-09-18
Filing date: 1976-09-18
Publication date: 1977-09-29
Also published as: JPS5352177A; FR2365112A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Bestimmung des statischen und/oder dynamischen Axialschubes eines Festlagers unter Verwendung von Dehnmeßgebern.The invention relates to a device for determining the static and / or dynamic Axial thrust of a fixed bearing using strain gauges.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DT-AS 10 66 374 bekannt.Such a device is known from DT-AS 10 66 374.

Bei dieser bekannten Einrichtung ist je nach Lagerausbildung mindestens ein mit der betreffenden Maschinenwelle fest verbundener Schubflansch vorgesehen. In this known device, depending on the camp design, at least one with the relevant Machine shaft firmly connected thrust flange provided.

Unter Zuordnung einer Festlagerausbildung, bei der nur ein Schubflansch vorgesehen sein soll, soll dieser nach beiden Seiten auf losen Druckbacken laufen, die von Segmenthaltern getragen sind, welche sich mittels kegeliger bzw. kegelförmiger Innen- und Außenflächen an je einer äußeren und inneren Ringfeder abstützen können, wobei die Ringfedern die im Betrieb auftretende Axialkraft vom Schubflansch auf die die Maschinenwelle umschließenden Lagerschalen des Festlagers übertragen sollen.With the assignment of a fixed bearing design in which only one thrust flange is to be provided, this should be run on both sides on loose pressure jaws, which are carried by segment holders, which by means of Support conical or conical inner and outer surfaces on an outer and an inner ring spring can, whereby the annular springs the axial force occurring during operation from the thrust flange to the machine shaft surrounding bearing shells of the fixed bearing should be transferred.

Im vorliegenden bekannten Fall sind dann weiter der äußere Federring nach außen und der innere Federring nach innen mehr oder weniger zusammendrückbar, wobei diese Zusammendrückung als Maß für den auftretenden statischen und/oder dynamischen Axialschub mittels in Relation zu dieser Zusammendrückung verformbarer Dehnmeßgeber oder Dehnmeßstreifen registrierbar ist, die an den Außenflächen der Federringe festlegbar sind.In the present known case, the outer spring washer are then further outwards and the inner spring washer inwardly more or less compressible, this compression as a measure of the occurring static and / or dynamic axial thrust means in relation to this compression deformable strain gauges or strain gauges can be registered on the outer surfaces of the spring washers are definable.

Bei einer zur bekannten Einrichtung gehörigen anderen Lagervariante mit zwei beiderseits der Stirnenden eines fest angeordneten Wellenlagerkörpers befindlichen Schubflanschen auf der Maschinenwelle erfolgt die Übertragung und Messung der Schubkraft sinngemäß zur ersten Lagervariante, wobei die entsprechenden Übertragungsglieder jeweils zwischen einer Schubflanschinnenseite und den zugehörigen Stirnenden des Wellenlagerkörpers liegen sollenIn another bearing variant belonging to the known device with two on both sides of the Front ends of a fixed shaft bearing body located thrust flanges on the machine shaft the transmission and measurement of the thrust is carried out analogously to the first bearing variant, with the corresponding Transmission links each between a thrust flange inside and the associated Front ends of the shaft bearing body should be

Infolge der bei der bekannten Einrichtung verhältnismäßig großen Anzahl zur Übertragung der Schubkraft erforderlicher Zwischenglieder dürfte neben der technischen Kompliziertheit dieser bekannten Einrichtung ein erhöhter Störanfälligkeitsgrad zu erwarten sein, wodurch wiederum die Genauigkeit der Axialschubmessung beeinträchtigt werden kann.As a result of the relatively large number in the known device for transmitting the thrust force necessary intermediate links are likely to be in addition to the technical complexity of this known device increased susceptibility to failure can be expected, which in turn increases the accuracy of the axial thrust measurement can be affected.

Infolge der beschriebenen Art der Kraftübertragung von dem bzw. den Schubflanschen auf die Meßringe dürften bei der bekannten Einrichtung weiter nicht unerhebliche Reibkräfte zu erwarten sein, die besonders bei verhältnismäßig hohen Wellendrehzahlen zu derartigen Temperaturerhöhungen an den Übertragungsgliedern, u. a. also auch an den Meßringen führen können, daß das Meßergebnis verfälscht wird.As a result of the type of power transmission described from the thrust flange or flanges to the measuring rings In the known device, not inconsiderable frictional forces are likely to be expected, especially those at relatively high shaft speeds to such temperature increases on the transmission elements, i.a. so can also lead to the measuring rings that the measurement result is falsified.

Aus den zuletzt genannten Gründen ergeben sich dann bei der bekannten Einrichtung besondere meßtechnische Vorkehrungen (Kompensationseinrichtung). Die bei der bekannten Einrichtung zu erwartenden Reib- und Temperatureinflüsse schließen im übrigen die Möglichkeit einer Verklemmung bzw. einer relativ frühzeitigen Abnutzung des Schubkraftübertragungsmechanismus mit ein.
Weiter wurde eine Einrichtung zur Messung des Achsschubes für ein Festlager untersucht, bei der die Dehnmeßgeber auf der umlaufenden Welle untergebracht worden sind, wobei an ein freies Ende der umlaufenden Welle ein Drehübertrager für die Achsschubmessung angebaut worden ist. Wegen der hierbeiFor the reasons mentioned last, special metrological precautions (compensation device) then result in the known device. The friction and temperature influences to be expected in the known device also include the possibility of jamming or relatively early wear of the thrust transmission mechanism.
A device for measuring the axial thrust for a fixed bearing was also investigated, in which the strain gauges have been placed on the rotating shaft, a rotary transmitter for measuring the axial thrust being attached to a free end of the rotating shaft. Because of this

verhältnismäßig großen Anzahl zur Übertragung des Achsschubes erforderlicher Zwischenglieder sowie aufgrund der bei relativ hohen Wellendrehzahlen auftretenden Verschleißerscheinungen an den Übertragungsgliedern konnte diese Einrichtung nur über eine verhältnismäßig kurze Laufzeit zum Einsatz gebracht werden. Außerdem bestanden bei dieser Einrichtung die Signale der Dehnmeßgeber fast immer aus einem Gemisch von Achsschub, Drehmoment und Durchbiegung, so daß dieses Gemisch aus den genannten Einzelwerten über Spezialschaltungen erst getrennt werden mußte, um zu einem konkreten Meßergebnis zu gelangen.relatively large number of intermediate links required to transmit the axial thrust as well due to the wear and tear on the transmission elements at relatively high shaft speeds this facility could only be used for a relatively short period of time will. In addition, with this device the signals from the strain gauges almost always consisted of one Mixture of axial thrust, torque and deflection, so that this mixture of the said Individual values first had to be separated using special circuits in order to achieve a concrete measurement result reach.

Bei einer anderen Einrichtung zur Axialschubmessung wurde ein elastisches, mit Dehnmeßgebern bestücktes Zwischenglied zwischen das Lageraußengehäuse und die tragende Konstruktion des Lagers gesetzt. Das Meßelement bestand hierbei aus einem tellerfederförmigen oder einem wellenringartig aufgebauten Zwischenstück. Zwecks Wegmessung erforderte diese untersuchte Einrichtung eine axiale Verschiebung des Lageraußengehäuses. Die wesentlichen Nachteile dieser untersuchten Einrichtung wurden einerseits in einer verhältnismäßig großen Platzbeanspruchung des Meßelements sowie in Hystereseerscheinungen bei der Aufzeichnung des Meßsignals gesehen, und zwar im wesentlichen als Ursache des Verschiebens des Lageraußengehäuses.Another device for measuring axial thrust was an elastic one with strain gauges equipped intermediate link between the bearing outer housing and the supporting structure of the bearing set. The measuring element consisted of a plate spring-shaped or a wave ring-shaped one Intermediate piece. In order to measure the distance, this examined device required an axial displacement of the bearing outer housing. The main disadvantages of this examined facility were on the one hand in a relatively large space requirement of the measuring element and in hysteresis phenomena in the Recording of the measurement signal seen, essentially as the cause of the shifting of the Bearing outer housing.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der eingangs genannten bekannten sowie der untersuchten Einrichtungen zu vermeiden und auch bei schwierigen Betriebsbedingungen — beengte Platzverhältnisse, Sonderlagerkonstruktionen (Topflager), hohe Drehzahl — unter Verwendung von herkömmlichen Meßgebern Achsschübe zu bestimmen, und zwar ohne Zwischenschaltung von Hilfsgliedem.The invention is based on the disadvantages of the aforementioned known and the to avoid examined facilities and even under difficult operating conditions - limited space, Special bearing designs (pot bearings), high speed - using conventional ones Axial thrusts to be determined by measuring transducers without the interposition of auxiliary links.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß der im Betrieb stillstehende Teil des Festlagers an einer vorgegebenen Stelle desTo solve the problem, it is provided according to the invention that the part which is stationary during operation of the fixed bearing at a specified point of the

Umfangs derart geschwächt ist, daß im Bereich der Schwächung eine für die Messung der Axialschübe ausreichende Verformung ermöglicht wird, daß zur Messung dieser Verformung Dehnmeßgeber in Umfangsrichtung auf oder in der Nähe der Schwachstelle des Festlagers angebracht sind, und daß Kompensations-Dehnmeßgeber an Stellen des Festlagers angeordnet sind, die in Umfangsrichtung etwa 180° gegenüber den ersten Dehnmeßgebern versetzt liegen und die mit Ausnahme der axialen Durchbiegung etwa den gleichen betrieblichen Einflüssen wie die ersten Dehnmeßgeber ausgesetzt sind.The circumference is so weakened that in the area of the weakening one for measuring the axial thrusts Sufficient deformation is made possible that, to measure this deformation, strain gauges in the circumferential direction are mounted on or near the weak point of the fixed bearing, and that compensation strain gauges are arranged at points of the fixed bearing that are approximately 180 ° in the circumferential direction are offset from the first strain gauges and with the exception of the axial deflection approximately are exposed to the same operational influences as the first strain gauges.

In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sollen die Dehnmeßgeber Dehnmeßstreifen und diese in Brückenschaltung angeordnet sein.In a further embodiment of the subject matter of the invention, the strain gauges and strain gauges these can be arranged in a bridge circuit.

Der durchbiegungsproportionale Meßwert läßt sich nach den üblichen Methoden in einen statischen und einen dynamischen Anteil zerlegen, dem mit Hilfe einer Eichtabelle die entsprechenden Achsschubgrößen zugeordnet werden.The measured value proportional to the deflection can be converted into a static and a break down a dynamic part to which the corresponding axial thrust sizes are assigned with the help of a calibration table will.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert; es zeigtThe invention is explained in more detail with reference to the drawings, for example; it shows

F i g. 1 die Vorderansicht eines in Topfkonstruktion ausgebildeten Wälzlagers, worin die Position der Dehnmeßgeber und die Lage einer einseitigen Aussparung im Tragkegel erläutert sind,F i g. 1 is a front view of a rolling bearing formed in a pot construction, in which the position of the Strain gauges and the position of a one-sided recess in the support cone are explained,

Fig.2 das Wälzlager gemäß Ansicht A der Fig. 1, teilweise aufgeschnitten dargestellt,2 shows the roller bearing according to view A of FIG. 1, shown partially cut away,

F i g. 3 eine dem Wälzlager nach F i g. 1 und 2 zugeordnete Vollbrückenschaltung,F i g. 3 one of the rolling bearings according to FIG. 1 and 2 assigned full bridge circuit,

F i g. 4 ein die axiale Verformung des Lageraußenringes bezogen auf die Aufspannebene erläuterndes Diagramm,F i g. 4 shows the axial deformation of the bearing outer ring Explanatory diagram related to the clamping level,

F i g. 5 ein die lineare Abhängigkeit des Achsschubes von der Verformung erläuterndes Diagramm undF i g. 5 is a diagram explaining the linear dependence of the axial thrust on the deformation, and FIG

F i g. 6 ein die Ergebnisse der Auswertung erläuterndes Diagramm, hier insbesondere die mit der Drehzahl schwach parabelförmig ansteigende Kurvenschar für die verschiedenen Achsschübe erläuternd.F i g. 6 shows a diagram explaining the results of the evaluation, here in particular the one with the speed Slightly parabolic rising set of curves for the various axle thrusts.

F i g. 1 und 2 veranschaulichen ein Vierpunktkugellager in Topfkonstruktion mit einem geteilten Lagerinnenring 5 und mit gerader Wälzkörperzahl. Aus dem im Betrieb stillstehenden Teil des Festlagers, dem Tragkegel 6 ist einseitig eine Aussparung 7 ausgefräst, welche ein rein axiales Ausweichen eines mit dem Tragkegel 6 verbundenen Lageraußenringes 8 gestatten soll. Bei flanschseitiger Aufspannung und zentrischer Axialbelastung in einer Zerreißmaschine kann sich die stirnseitige Fläche 9 des Lageraußenringes 8 entsprechend der Darstellung in Fig.4 verformen. Im Diagramm nach Fig.4 ist die Verlagerung des Lageraußenringes 8 gegenüber der Aufspannebene aufgetragen. Bereits bei geringem Achsschub zeigt sich eine Ausbeulung A im Bereich der Aussparung 7, die sich mit steigender Axialbelastung bzw. steigendem Achsschub 5 deutlich verstärkt (B, C, D, E). Zieht man davon die Verformung des Tragkegels 6 ab, betrachtet man also nur die größte Höhendifferenz an der Stirnseite des Lageraußenringes 8, so erhält man, wie in Fig.5 gezeigt, eine lineare Abhängigkeit des Achsschubes von der Verformung nach dem Linienzug G. Hieraus kann dann der Achsschub meßtechnisch erfaßt werden.F i g. 1 and 2 illustrate a four-point ball bearing in a cup design with a split inner bearing ring 5 and with an even number of rolling elements. A recess 7 is milled out on one side from the part of the fixed bearing, the supporting cone 6, which is stationary during operation, which is intended to allow a bearing outer ring 8 connected to the supporting cone 6 to escape purely axially. With flange-side clamping and central axial loading in a tearing machine, the end face 9 of the bearing outer ring 8 can be deformed as shown in FIG. In the diagram according to FIG. 4, the displacement of the bearing outer ring 8 with respect to the mounting plane is plotted. Even at a low axial thrust, a bulge A appears in the area of the recess 7, which increases significantly with increasing axial load or increasing axial thrust 5 (B, C, D, E). Taking it deformation of the supporting cone 6 from, one therefore considers only the largest level difference on the front side of the outer bearing ring 8, is obtained, as shown in Figure 5, a linear dependence of the axial thrust of the deformation after the trace G. From this it can then the axial thrust can be measured.

Die Meßwerterfassung selbst erfolgt durch eineThe measured value acquisition itself is carried out by a

ro Dehnmeßstreifen-Vollbrücke (F i g. 3). Zwei Dehnmeßgeber 1,2 sind stirnseitig auf dem mittleren Durchmesser des Lageraußenringes 8 in Umfangsrichtung mittig zur Aussparung 7 (F i g. 1) angeordnet. Zwei Kompensations-Dehnmeßgeber 3, 4 sind wegen der geraden Wälzkörperanzahl genau gegenüber den Dehnmeßgebern 1,2, also um 180° gegenüber den letzteren versetzt am Lageraußenring 8 angeordnet Bei ungerader Kugelzahl wären die Kompensations-Dehnmeßgeber um eine halbe Kugelteilung versetzt am Lageraußenring 8 anzuordnen.ro Strain gauge full bridge (Fig. 3). Two strain gauges 1, 2 are frontally centered on the mean diameter of the bearing outer ring 8 in the circumferential direction to the recess 7 (Fig. 1) arranged. Two compensation strain gauges 3, 4 are because of the straight Number of rolling elements exactly compared to the strain gauges 1,2, i.e. offset by 180 ° compared to the latter arranged on the bearing outer ring 8 With an uneven number of balls, the compensation strain gauges would be to be offset by half a ball division on the bearing outer ring 8.

Auf diese Weise kompensieren sich die im Betrieb auftretende radiale Aufweitung durch Fliehkraft und diskrete Wälzkörperüberrollung, Temperatureinflüsse sowie die Aufstülpung des Lageraußenringes 8 infolge des Achsschubes. Die dargestellte Brückenschaltung nach F i g. 3 ließe sich im übrigen in zwei unabhängige Halbbrückenschaltungen zerlegen.In this way, the radial expansion that occurs during operation is compensated for by centrifugal force and discrete rolling element overrolling, temperature influences and the bulging of the bearing outer ring 8 as a result of the thrust. The illustrated bridge circuit according to FIG. 3 could be divided into two independent Disassemble half-bridge circuits.

Die Laufversuche, die gleichzeitig zur Eichung dienen, können in einem drehzahlregelbaren Lagerprüfstand durchgeführt werden. Mittels eines variabel beaufschlagbaren Pneumatikzylinders ist es möglich, den Achsschub beliebig einzustellen.The running tests, which are also used for calibration, can be carried out in a speed-adjustable bearing test stand be performed. By means of a variably pressurized pneumatic cylinder, it is possible to use the Axle thrust can be adjusted as required.

Die bei einer Messung gewonnenen elektrischen Signale können in Form einer Meßkette abgenommen und auf Tonband gespeichert werden. Die Ergebnisse der Auswertung sind in Fig.6 dargestellt Das verstärkte Meßsignal aus der Vollbrückenschaltung weist eine mit der Drehzahl schwach parabelförmig ansteigende, etwa äquidistante Kurvenschar K für die verschiedenen Achsschübe (steigender Achsschub S) auf. Die Abweichungen von der Linearität wären im wesentlichen durch die Änderung der aktuellen Laufbahndurchmesser bei der in F i g. 1 und 2 wiedergegebenen Lagerkonstruktion zu erklären, und zwar als Folge der im Betrieb auftretenden Fliehkräfte der Wälzkörper.The electrical signals obtained during a measurement can be picked up in the form of a measuring chain and stored on tape. The results of the evaluation are shown in FIG. 6. The amplified measurement signal from the full-bridge circuit has an approximately equidistant set of curves K for the various axial thrusts (increasing axial thrust S) that increases slightly parabolic with speed. The deviations from linearity would essentially be due to the change in the current track diameter in the case of the FIG. 1 and 2, as a result of the centrifugal forces of the rolling elements occurring during operation.

Im übrigen können Dehnmeßgeber Dehnmeßstreifen sein, die entsprechend den F i g. 1 und 3 ebenfalls in Brückenschaltung angeordnet auf die betreffenden Stellen des Lageraußenringes aufgeklebt werden könnten.In addition, strain gauges can be strain gauges which, according to FIGS. 1 and 3 also arranged in a bridge circuit and glued to the relevant points on the bearing outer ring could become.

Die Erfindung ist fernerhin sinngemäß bei Gleitlagern anwendbar.The invention is also analogous to plain bearings applicable.

Hierzu 5 Blatt ZeichnungenIn addition 5 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for determining the static and / or dynamic axial thrust of a fixed bearing using strain gauges, characterized in that the part (6-9) of the fixed bearing which is stationary during operation is on a predetermined point of the circumference is so weakened (7) that in the area of the weakening a deformation sufficient for the measurement of the axial thrust is made possible for the measurement this deformation strain gauges (1, 2) in the circumferential direction on or in the vicinity of the weak point of the fixed bearing are attached, and that compensation strain gauges (3,4) at points of the Fixed bearing are arranged, which in the circumferential direction about 180 ° with respect to the first strain gauges (1, 2) are offset and, with the exception of the axial deflection, are roughly the same operational Influences such as the first strain gauges (1, 2) are exposed.

2. Device according to claim 1, characterized in that the strain gauges strain gauges (1-4) and that these are arranged in a bridge circuit.