DE2647440B2

DE2647440B2 - Verfahren zur Bestimmung des statischen Achsschubes bei Lagern unter externen Betriebsbedingungen

Info

Publication number: DE2647440B2
Application number: DE2647440A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Franz Dipl.-Ing. 8031 Eichenau Bauer; Ing.(grad.) Gerhard 8000 München Helbling; Florian Hildebrandt
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1976-10-21
Filing date: 1976-10-21
Publication date: 1981-05-27
Also published as: US4145919A; GB1589332A; DE2647440A1; IT1090536B; FR2368702A1; FR2368702B1; DE2647440C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des statischen Achsschubes bei Lagern unter extremen Betriebsbedingungen — beispielsweise hohen Temperaturen, beengten Platzverhältnissen —, wobei die Verformung bzw. Durchbiegung einer künstlich geschaffenen Schwachstelle des stillstehenden Lagerteils in Axialrichtung bei der Lagerabrollbewegung mittels Dehnungsmeßwandlern ermittelt wird.

Es wurde eine Einrichtung zur Messung des Achsschubes für ein Festlager untersucht, bei der die Dchnmeßgeber 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 hierbei verhältnismäßig großen Anzahl zur Übertragung des Achsschubes erforderlicher Zwischenglieder sowie auf Grund 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.

Bei einer anderen Einrichtung zur Achsschubmessung wurde ein elastisches, mit Dehnmeßgebern bestücktes Zwischenglied zwischen das Lageraußengehäuse und die tragende Konstruktion des Lagers gesetzt. Das Meßelement bestand hierbei aus einem tellerförmigen 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 Verschiebensdes Lageraußengehäuses.

Aus der DE-OS 24 29 454 ist ein Verfahren zur Messung des Axialschubes an Laufrollen für eine liegend angeordnete Drehtrommel sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt. Dieser bekannten Lösung lieg! ein als Drehtrommel ausgebildeter Drehrohrofen zugrunde, der sich über einen Laufring auf zwei nebeneinander liegenden Laufrollen abstützen soll. Hierbei soll unier anderem eine dieser Laufrollen auf einer Welle befestigt sein, deren beide Enden in schalenartigen Gleitlagern κι gelagert ist, die ihrerseits an einem Lagerblock befestigt sind. Die Welle soll hierbei ferner beidseitig mit Bundringen versehen sein, die sich in axialer Richtung auf Flanschen der Lagerschale abstützen sollen.

Zur Achsschubmessung soll bei der vorliegenden bekannten Lösung die Verformung bzw. Durchbiegung mindestens einer künstlich geschaffenen Schwachstelle im während des Betriebes stillstehenden Lagerteil in Axialrichtung bei iier Lagerabrollbewegung mittels Dehnungsmeßwandler ermittelt werden, wobei die künstlich geschaffene Schwachstelle hier in Form einer Bohrung ausgebildet sein soll. Abgesehen von den hier vorliegenden für eine Gleitlagerung maßgeblichen Kriterien, die vom Grundsatz her nicht mit den bei Wälzlagerungen auftretenden Kriterien vergleichbar sind, soll bei der vorliegenden bekannten Lösung also das Prinzip der sogenannten »statischen« Durchbiegung zur Messung des Axialschubes herangezogen werden, aus welchem hinsichtlich des Temperaturganges und der Nullpunktstabilität (bei Wälzlagern) eindeutige Proble-

)<) me erwachsen können, um zu einem unverfälschten, repräsentativen Meßergebnis gelangen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der eingangs zitierten untersuchten Einrichtungen sowie der erwähnten bekannten Lösung zu J5 vermeiden und mit Rücksicht auf schwierige Betriebsbedingungen, wie insbesondere hohe Betriebstemperaturen und beengte Platzverhältnisse, den Achsschub einwandfrei bestimmen zu können.

Ausgehend von dem Verfahren gemäß eingangs 4" genannter Gattung, wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs angegebenen Erfindungsmerkmale gelöst.

Beim axialen Belasten eines rotierenden Wälzlagers treten zwei Verformungserscheinungen am stehenden ••5 Lagerteil auf:

I. Eine konstante mittlere Verformung auf Grund der Federkonstanten der Gehäusebauteile oder des Meßgliedes, im heutigen Sprachgebrauch üblicherweise als »statische« Durchbiegung bezeichnet.
2. Dieser überlagert sich eine »dynamische« Durchbiegung aus dem Oberrollen der Wälzkörper. Der Achsschub teilt sich nämlich in diskrete Einzelkräfte auf die einzelnen Wälzkörper auf. Befindet sich nun ein Wälzkörper über der Meßstelle, so tritt eine zusätzliche Durchbiegung auf, die ihren Ausgleich in einem Zurückfedern beim Passieren einer Wälzkörperlücke findet,

Für dieses gemäß Punkt 2 dem vorliegenden Verfahren zugrundeliegende Prinzip der dynamischen μ Durchbiegung beim Überrollen der einzelnen Wälzkörper genügt zum Erfassen des Meßwertes ein einzelner Dehnungsmeßwandler (Geber), z. B. ein Dehnmeßstreifen in Viertelbrückenschaltung. Andere Aufnehmer wären denkbar, bei Platzmangel aber gegebenenfalls **< nicht zu verwirklichen. |edoch wäre-hierbei darauf zu achten, daß die Anzahl der Dehnungsmeßwandler (Geber) in Grenzen zu halten wäre, d. h., eine Vermehrung der Dehnungsmeßwandler (Geber) —

Sonderanordnungen ausgeschlossen — könnte zu einer Vernichtung des Meßwertes führen. Einflüsse von Temperatur und Zeit auf das Meßergebnis entfallen im Rahmen des vorliegenden Verfahrens, da jedes Überrollen der Wälzkörper zu einem erneuten Null- ■> durchgang der Durchbiegung führt.

Nachdem weiter bei Wälzlagern Toleranzen an Wälzkörpern und Laufbahnen bzw. deren Kombinationen das Meßsignal stark beeinflussen, ist es weiter vorteilhaft, wenn zur Ausmerzung dieser bei Wälzlagern aus den Toleranzen herrührenden Fehlmessungen, d. h„ zur Erzwingung eines optimalen Meßergebnisses der gemittelte Meßwert aus einigen bzw. mehreren Lagerkäfigumläufen für die Achsschubmessung herangezogen werden soll.

Das vorliegende Verfahren eignet sich besonders gut für niedere und mittlere Drehzahlen. Im Interesse eines einwandfreien Meßergebnisses ist es weiter grundlegende Voraussetzung für die Durchführbarkeit dieses Verfahrens, daß die Impulsfrequenz der Wälzkörperüberrollung nicht in der Nähe von Eigenfrequenzen des Lagers oder Teilen davon zu liegen kommen soll mit daraus unmittelbar resultierenden Resonanzüberhöhungserscheinungen.

Vorteilhafterweise ist das vorliegende Verfahren weiter weitgehend unabhängig von Nullpunktverschiebungen und Driftvorgängen der Meßanlage.

An Hand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Vorderansicht eines in Topfkonstruktion ausgebildeten Wälzlagers, die Position der Dehnungsmeßwandler und die Lage einer künstlichen Schwachsteile im Tragkegel erläuternd,

F i g. 2 die Ansicht A des Wälzlagers nach Fig. 1,

Fig. 3 eine dem Wälzlager nach Fig. I und 2 zugeordnete Vollbrückenschaltung,

F i g. 4 ein Diagramm, in dem das Meßergebnis näher erläutert ist,

F i g. 5 ein die axiale Verformung des Lageraußenringes an seiner Stirnseite über dem abgewickelten Umfang derselben sowie unter anderem die dynamische Durchbiegung beim Durchlaufen jedes einzelnen Wälzkörpers erläuterndes Diagramm,

F i g. 6 ein die axiale Verformung des Lageraußenringes in Abhängigkeit von Achsschub sowie die sich der statischen Verformung bei der Wälzkörperüberrollung überlagernde dynamische Verformung erläuterndes Diagramm und

Fig. 7 ein Diagramm, in welchem die bei der Frequenzanalyse auftretenden beiden Resonanzspitzen, nämlich die der Wellendrehzahl entsprechende Frequenz und die Überrollfrequenz der Wälzkörper sowie ferner die zur letzteren gehörige Amplitude der dynamischen Verformung erläutert sind.

Die Fig. 1 und 2 veranschaulichten ein für die Durchführung des Verfahrens geeignetes Wälzlager mit einem flanschseitig aufspannbaren, topfförmigen, den Lageraußenring 8 enthaltenden Tragkegel 6. Eine künstlich geschaffene Schwachstelle ist hierbei von einer einseitig im stillstehenden Teil des Lagers, dem Tragkegel 6 angeordneten Aussparung 7 gebildet.

Um die aus einigen Lagerkäfigumläufen gemittelten Amplituden A', B', C, D', E'(F ig. 5) der dynamischen Durchbiegung an Aussparung 7 des Tragkegels 6 in Axialrichtung bei der Wälzkörperüberrollung der Aussparung 7 ermitteln zu können, ist dem Wälzlager nach F i g. 1 und 2 z. B. eine Dehnmeßstreifen-Vollbrükke hoher Temperaturbeständigkeit nach F i g. 3 zugeordnet, bei der zwei Dehnmeßgeber 1. 2 an der Stirnseite 9 (F i g. 1) des Lageraußenringes 8 auf dessen mittleren Durchmesser sowie in Umfangsrichtung mittig zur Aussparung 7 angeordnet sind. Zwei Dehnungsmeßwandler 3, 4 (Kompensations-Dehnmeßgeber) sind wegen der geraden Wälzkörperzahl — den beiden Dehnmeßgebern I, 2 genau gegenüberliegend, also um 180° versetzt auf dem mittleren Durchmesser des Lageraußenringes 8 angeordnet.

Bei ungerader Wälzkörper- bzw. Kugelzahl wären die Dehnmeßgeber bzw. Dehnurigsmeßwandler um eine halbe Kugelteilung versetzt am Lageraußenring anzuordnen.

An Stelle der gemäß Fig. 3 gewählten Vollbrückenschaltung für die Dehnmeßgeber bzw. die Dehnungsmeßwandler wäre es durchaus denkbar, eine Vierteloder Halbbrückenschaltung vorzusehen.

Das breitbandig aufgezeichnete Meßsignal der Dehnmeßstreifen-Vollbrücke wird zur Bestimmung des statischen Achsschubes einer Frequenzanalyse, am besten in einem Echtzeitanalysator, unterworfen. Bestimmt wird die Amplitude der Wälzkörperüberrollfrequenz. Das Ergebnis ist im Diagramm nach F i g. 4 dargestellt, gemäß welchem der Achsschub (steigender Achsschub S) eine etwa linear zunehmende Durchbiegungsamplitude (siehe auch sinngemäß Fi g. 5) erzeugt, die für verschiedene Achsschübe durch die Geradenschar G ausgedrückt ist. Dem überlagert sich mit wachsender Drehzahl eine Ausschlagsminderung. Sie erklärt sich daraus, daß mit steigender Fliehkraft der Wälzkörper die Umfangsspannung im Lageraußenring zunimmt. Sie behindert die dynamische Durchbiegung und versteift somit die Schwachstelle.

Im Diagramm nach Fig. 5, weiches unter anderem die axiale Verformung des Lageraußenringes 8 an seiner Stirnseite über dem abgewickelten Umfang repräsentiert, ist ferner die Position der Dehnmeßgeber 1, 2 mit K sowie der Bereich der Aussparung 7 im Tragkegel 6 mit L bezeichnet. Die Aussparung 7 im Tragkegel 6 führt zu einer vergrößerten Durchbiegung des Lageraußenringes 8, so daß sich in diesem Bereich an der betreffenden statischen Verformungslinie M, N, O, P. Q eine Ausbeulung A. B, C, D, E abzeichnet, deren jeweilige Größe sich im untersuchten Bereich etwa linear mit dem steigenden Achsschub S einhergehend verstärkt. Dieser statischen Verformung nach den Linien M, N, O₁ P, Q wird nun bei Rotation des Wälzlagers eine dynamische Durchbiegung beim Durchlaufen jedes einzelnen Wälzkörpers überlagert, welche der Reihe nach — von unten nach oben — durch die sinusförmige Amplkuden A', B', C. D', E' verdeutlicht sein soll. Diese dynamische Durchbiegung kommt dadurch zustande, daß die Kraftübertragung im Wälzlager nicht gleichmäßig und flächenhaft, sondern punktförmig über die einzelnen Wälzkörper verteilt erfolgt. Ein zusätzliches Durchfedern über die statische Mittellinie hinaus wird beim Überrollen der Wälzkörper durch eine entsprechende Entlastung im Bereich der Wälzkörperlücken kompensiert. Der bzw. die Dehnmeßgeber I, 2 erfassen diese Abfolge von Zusatzdurchbiegung und Rückfederung und liefern gemäß den aufgezeigten Amplituden A', B', C. D', £', das etwa sinusförmige Signal dieser Axialverformung, die im Bereich L der Aussparung 7 wesentlich deutlicher hervortritt als am übrigen Umfang.

Gemäß F i g. 6, worin die axiale Verformung des Lageraußenringes 8 in Abhängigkeit von Achsschub 5 aufgetragen ist, soll verdeutlicht sein, daß sich der als

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miiilcrci Linien/ug (>' wiedergegebenen statischen I-Vcqiienz-Amplitudcn-Analvsc taucht neben der der

Vci (ι ιπηιιιιμ die /Ii. durch (!■■-■ beiden sinuslörinigeii VVellendreh/ahl entsprechenden Irequen/. f„. die durch

Kurven R. S repräsentierte .-.Hämische Vertormiing tlnvvuchtcn hervorgerufen wird, ganz deutlich die

beim liherrollen jedes ein/einen Wälzkorpers liberla- aktuelle Überrollfrequen/ der Wälzkörper Λ auf. Die

μοπ Diese (iMiamischc Verformung ",iri.1 \on den da/iigehörige Amplitude V der dynamischen Vcrfor-

beiden (ieraden T. I! eingehüllt, die ebenso wie der mung (ohne statische Verformung) IaIJt sieh einwandfrei

l.inien/ιιμ (">'im Nullpunkt mutnieii. wiihrcnd einiger l.agerkäfigunilaufe ermitteln. Sie dient

Aus einer Trequen/ Amplituden-Analyse genial! dem über eine individuelle Eichung des Lagers als Hczugv

Diagramm mich Γ i g. 7 sine· tür das Verfahren benötigte grölJe fiirdie Ermittlung des statischen Achsschubes.

Daten relativ schnell und einfach beziehbar. Bei der >.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Palentanspruch:

Verfahren zur Bestimmung des statischen Achsschubes bei Lagern unter extremen Betriebsbedingungen — beispielsweise hohen Temperaturen, beengten Platzverhältnisses —. wobei eine Verformung bzw. Durchbiegung einer künstlich geschaffe nen Schwachstelle des stillstehenden Lagerteils in Axialrichtung bei der Lagerabrollbewegung mittels Dehnungsmeßwandlern ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anwendung des Verfahrens an Wälzlagern Eichmessungen vorgenommen werden, durch die die Zusammenhänge zwischen der aus einigen Lagerkäfigumläufen gemittelten Amplitude der dynamischen Durchbiegung bei der Wälzkörperüberrollung an der Schwachstelle und dem statischen Achsscimb ermittelt werden können und daß zur Bestimmung des zu messenden statischen Achsschubes die genannten Amplituden während einiger Lagerkäfigumläufe ermittelt werden.