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Verfahren und Einrichtung zur Messung von Reibungskräften
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an Wälzkörper - Umlaufbahnen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Einrichtung zur Messung von Reibungskräften an geschlossenen Wälzkörper-Umlaufbahnen,
insbesondere zur Ermittlung der Verhältniswerte von Reibungskräften für unterschiedliche
Schmierverhältnisse.
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Die Erfassung von Reibungskräften an Wälzkörper-Umlaufbahnen ist für
die Untersuchung und Entwicklung von Wälzlagerungen sowie Wälzelementen von Bedeutung,
insbesondere auch für die Untersuchung und Entwicklung von Schmiersystemen und Schmierstoffen
für Wälzlager. über die-Erfassung des in definierten Paarungen von Wälzkörpern und
Umlaufbahnen herrschenden Reibungszustands können ferner Kennwerte von Schmierstoffen
ermittelt werden, die von allgemeiner Bedeutung sind. Prüfverfahren und Prüfeinrichtungen
der vorliegenden Art können insbesondere auch in der Fertigung, vor allem in der
Großserienfertigung von Wälzlagern und zugehörigen Bauelementen mit Vorteil eingesetzt
werden.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Messverfahrens
und einer Messeinrichtung der vorgenannten Art, die für den erwähnten Anwendungsbereich
geeignet ist und sich durch einfache Handhabung auszeichnet. Verfahren und Einrichtung
zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnen sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw.
2.
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Die Lösung macht sich die Tatsache zunutze, dass die während einer
Umdrehung stetig , z.B. mittels eines magnetischen Drehfeldes, oder jeweils an einer
Antriebsstelle impulsförmig zugeführte Bewegungsenergie im Falle konstanter Umlaufzeiten
bzw. mittlerer Umlaufgeschwindigkeiten gerade wieder durch Reibung aufgezehrt wird.
Bei konstantem Umlaufweg ist also der Energieinhalt eines jeden Antriebsimpulses
ein Mass für die zwischen Wälzkörper und Umlaufbahn wirkende Reibungskraft, und
zwar im praxisnahen Fall einer in Bezug auf die mittlere Umlaufgeschwindigkeit vernachlässigbar
geringen Geschwindigkeitsänderung zwischen jeweils aufeinanderfolgenden Antriebsimpulsen
bzw.
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im Fall einer vernachlässigbar geringen Geschwindigkeitsabhängigkeit
der Reibungskraft ein proportionales Mass. Für die praktische Messung bietet sich
bequemerweise eine geeignete Mittelwertbildung an.
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Im einzelnen bestehen nun für die Messung folgende Möglichkeiten:
Erstens
kann durch Erfassung der Antriebs energie selbst unter Berücksichtigung des Umlaufweges
eine Absolutmessung der Reibungskraft durchgeführt werden. Wenn hierzu die der Antriebsvorrichtung
zugeführte Energie herangezogen werden soll, so müssen Wirkungsgrade und Verluste
berücksichtigt werden, was im erforderlichen Genauigkeitsbereich schwierig sein
kann.
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Es kommt daher gegebenenfalls eine Kalibrierung der Energiezufuhr
und/oder entsprechender Einstellparameter der Antriebs-bzw. Antriebs-Speisevorrichtung
durch unmittelbare Erfassung der Geschwindigkeitsänderung während eines Antriebs
impulses oder während eines Intervalls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Antriebs
impulsen in Betracht. Ist der Aufwand für eine solche Kalibrierung einmal aufgewendet,
so lassen sich nicht nur alle betroffenen Bauelemente in Bezug auf ihre gegebenenfalls
reibungsabhängige oder reibungsbestimmende Funktion messend prüfen, sondern - unter
Verwendung entsprechend normierter Wälzkörper und Wälzbahnen - insbesondere auch
Schmierstoffuntersuchungen mit Kenngrössenmessungen in Abhängigkeit von Temperatur,
Geschwindigkeit usw. bequem durchführen.
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Zweitens besteht die Möglichkeit von Relativmessungen, wobei das Messergebnis
insbesondere in Form von Verhältniswerten gewonnen werden kann.
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Dazu kann zunächst - z.B. zwecks Vergleichs eines zu untersuchenden
Wälzkörpers mit einem Bezugs-Wälzkörper, zur vergleichenden Untersuchung zweier
Schmierstoffe, zur Untersuchung der
Temperaturabhängigkeit der
Schmierfähigkeit eines Schmierstoffes oder dergl. - unter Veränderung der Antriebsenergie
als Stellgrösse die stationäre Umlaufzeit auf gleiche Werte in den verschiedenen
Messungen eingeregelt werden. Es braucht dann nicht der Absolutwert der Antriebsenergie,
sondern nur eine der letzteren funktional eindeutig zugeordnete Grösse ermittelt
zu werden, deren Werte eine vergleichende Auswertung und gegebenenfalls eine einfache
Darstellung in Form von Verhältniswerten zulassen.
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Darüberhinaus kann aber auch die Geschwindigkeitsabhängigkeit von
Reibungskennwerten bzw. von Schmierstoffeigenschaften durch Relativmessungen der
vorgenannten Art untersucht werden. Hierzu muss für ein und dasselbe Messobjekt
die Antriebsenergie und damit die sich stationär einstellende Umlaufzeit gezielt
verändert und erfasst werden. Im Falle der hier angesprochenen Relativmessungen
genügt dazu grundsätzlich eine reproduzierbare Einstellung der Parameter für die
Antriebsenergie, die im allgemeinen auch ohne Absolutwerterfassung der letzteren
erreichbar ist. Besonders einfach gestaltet sich eine solche Relativmessung dann,
wenn die Einstellkennlinie für die Antriebs energie im verwendeten Bereich einen
genügend annähernd linearen Verlauf hat.
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Bei elektromagnetischem Impulsantrieb kann ein solcher Verlauf mit
an sich bekannten Mitteln - z.B. durch geeignete Magnetpolkonfiguration der Antriebsvorrichtung
an der Umlaufbahn in Verbindung mit einer in Bezug auf das Magnetfeld definierten,
einstellbaren Umlaufstrecke des Wälzkörpers - vergleichsweise
einfach
verwirklicht werden. Dazu ist es in Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft, das
Magnetfeld der Antriebsvorrichtung bzw.
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jeder einzelnen Antriebsvorrichtung in Abhängigkeì vom Eintritt in
einen bzw. vom Austritt aus einem definierten Detektionsabschnitt der Umlaufbahn
im Wirkungsbereich des Magnetfeldes vom Wälzkörper selbst ein- bzw. ausschalten
zu lassen. Dies ist mit Hilfe an sich bekannter Detektoren, z.B. elektrooptischer,
induktiver, kapazitiver oder auch kontaktelektrischer Art, mit geringem Aufwand
zu verwirklichen.
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Die Länge des so definierten Aktivierungsintervalls der Antriebsvorrichtung
kann bei der Einstellung des Antriebsenergieimpulses festgehalten werden, während
das Intervall als ganzes in Bereiche höherer oder niedrigerer, in Umlaufrichtung
wirkender Magnetkraftkomponente verschoben wird. Umgekehrt ist es auch möglich,
die Länge des Aktivierungsintervalls und damit jedenfalls den Weg zu verändern,
längs dessen die Antriebskraft wirkt. Dies kann etwa durch Verschieben einer Intervallgrbnze
erreicht werden. In diesem Fall wird der VerstelLbereich der Intervallgrenze zweckmässig
in einen Bereich des Magnetfeldes mit annähernd konstanter Magnetkraftkomponente
in Umlaufrichtung gelegt, um eine lineare Verstellkennlinie für den Energieinhalt
der Antriebsimpulse zu erreichen. Die verstellbare Intervallgrenze kann vorteilhaft
durch einen entsprechend verschiebbar gelagerten Detektor verwirklicht werden. Im
Falle mehrerer Antriebsvorrichtungen mit entsprechenden Detektoren werden letztere
zweckmässig gemeinsam verschiebbar ausgebildet.
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Die Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen
schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Hierin zeigt: Fig.1 das
Aufbauschema einer ersten Ausführung der erfindungsgemässen Messeinrichtung mit
einem Ausschnitt einer Wälzkörper-Umlaufbahn mit Antriebsvorrichtung und zugehöriger
Wälzkörper-Detektorstation, Fig.2 Die Schaltsignal-Umlaufstellungskennlinie der
Detektorstation in der Messeinrichtung nach Fig.1, Fig.3 die Tangentialmagnetkraft-Umlaufstellungskennlinie
der Antriebsvorrichtung in der Messeinrichtung nach Fig.1, Fig.4 das Aufbauschema
einer zweiten Ausführung der erfindungsgemässen Messeinrichtung in Draufsicht der
Wälzkörper-Umlaufbahn mit drei Antriebsvorrichtungen und je zwei zugehörigen Detektorstationen,
Fig.5 die Tangentialmagnetkraft-Umlaufstellungskennlinie der Antriebsvorrichtungen
in der Messeinrichtung nach Fg.4 und Fig.6 die konstruktive Gestaltung einer Antriebsvorrichtung
aus der Messeinrichtung nach Fig.4 in einem Schnitt quer zur Wälzkörper-Umlaufbahn.
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Bei der Einrichtung nach Fig.1 läuft ein z.B. kugelförmiger Wälzkörper
WK gemäss Pfeil P längs einer Umlaufbahn UB und durchläuft dabei periodisch den
Wirkungsbereich einer elektromagnetischen Impuls-Antriebsvorrichtung AV mit Speisequelle
SP und Impuls-Schaltvorrichtung SV, die über eine optoelektrische Detektorstation
DT mit Sender S und Empfänger E vom Wälzkörper WK jeweils längs eines definierten
Wegabschnitts auf der Umlaufbahn, d.h. längs eines Umlaufweg-Schaltintervalls Dw
(siehe Fig.2 und 3) aktiviert wird. Im Beispielsfall bestimmt das in Abhängigkeit
von der Lage des durchlaufenden Wälzkörpers gemäss Fig.2 veränderliche Detektorsignal
sD durch Vergleich mit einem Schwellwert SW in einem Schwellwertschalter SS die
Schaltpunkte ws und damit die Intervallgrenzen in Bezug auf die Winkelstellung wl
der gemäss Pfeil Pl längs der Umlaufbahn lageeinstellbaren Detektorstation DT. Bei
unveränderter Detektorstellung wl kann die Länge des Intervalls Dw und damit der
Energieinhalt des Antriebs impulses IA mittels eines Abschwächer-Stellgliedes SG
eingestellt werden. Gleiches kann bei der in Fig.3 dargestellten Abhängigkeit der
Tangentialkomponente M der auf den Wälzkörper wirkenden Magnetkraft der Antriebsvorrichtung
von der Winkelstellung w (im Beispiel gemäss Fig.l und Fig.3 von der Magnetpolmitte
der Antriebsvorrichtung aus gemessen) auch bei konstanter Länge des Intervalls Dw
durch Lageeinstellung der Detektorstation DT, d.h. durch Veränderung von wl, erreicht
werden. Für Zwecke einer Relativmessung und vorzugsweise für die Bildung von Verhältnis-Kennwerten,
wie in der Einleitung erläutert, wird
der Verstellbereich VB für
wl in einen annähernd linearen Bereich LA der Kennlinie M(w) gemäss Fig.3 gelegt,
d.h. in die Umgebung des Wendepunktes WP der Kennlinie. Brauchbare Relativ-und Verhältniswerte
der Impuls-Antriebsenergie können dann aus der geeignet skalierten Lageeinstellung
der Detektorstation gewonnen werden.
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Für Zwecke einer Absolutmessung ist zwischen Schaltvorrichtung SV
und Antriebsvorrichtung AV eine Leistungsmessvorrichtung VN an sich üblicher Art
mit nachgeschaltetem Integrierglied VI eingefügt, deren Ausgangssignal bei geeigneter
Kalibrierung unter Berücksichtigung der Verluste in der Energieumsetzung der Antriebsvorrichtung
ein absolutes Mass für die Impuls-Antriebsenergie darstellt.
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Zwecks Erfassung der Umlaufzeit TU bzw. Umlauf frequenz FU ist an
die Detektorstation DT ein Messumformer MU an sich üblicher Art angeschlossen.
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Grundsätzlich, insbesondere im Falle kleiner Umlaufbahnen bei vergleichsweise
grossen Wälzkörpermassen, kann das erfindungsgemässe Messverfahren mit nur einer
Antriebsvorrichtung an der Umlaufbahn ausgeführt werden. Im allgemeinen wird jedoch
gemäss der Ausführung nach Fig.4 zweckmässig eine Mehrzahl von Antriebsvorrichtungen
AV gleichmässig verteilt längs der Umlaufbahn UB angeordnet. Dies ergibt geringere
Geschwindigkeitsschankungen über den Umlauf, was vor allem
im Hinblick
auf eine Geschwindigkeitsabhängigkeit der Reibungskennwerte zwischen Wälzkörper
und Laufbahn vorteilhaft ist.
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Im letztgenannten Beispiel ist für jede Antriebsvorrichtung eine gemäss
Pfeil Pl verstellbare Detektorstation DT vorgesehen, die jedoch nur einen mit der
Sensormittelstellung wl zusammenfallend angenommenen, entsprechend P1 verstellbaren
Schaltpunkt sw aufweist. Dieser wird - wie anhand der Magnetkraft-Winkelstellungskennlinie
M(w) in Fig.5 angedeutet -im Gegensatz zu der vorangehenden Ausführung nur für das
Einschalten der Antriebsvorrichtung und damit für die Bestimmung des Einschaltpunktes
des Antriebsimpulses IA verwendet. Für die Bestimmung des Ausschaltpunktes bei w=O
ist dagegen eine zweite, fest (gegebenenfalls justierbar) angeordnete Detektorstation
DTO vorgesehen. Letztere kann übrigens vorteilhaft für die hier nicht mehr dargestellte
Messung der Umlaufzeit herangezogen werden.
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Der Energieinhalt des Antriebs impulses wird beispielsweise durch
Veränderung von W1. bzw. ws mittels entsprechender, gemeinsamer Verschiebung der
Detektorstationen DT, d.h.
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durch Veränderung des wirksamen Antriebsweges an den einzelnen Antriebsvorrichtungen
eingestellt. Für Zwecke der Relativmessung und Verhältniswertbildung wird der Verstellbereich
VB für Wl bzw. ws vorteilhaft in einen Winkelbereich gelegt, der durch geeignete
Gestaltung der Magnetfeld- bzw.
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Magnetpolkonfiguration eine wenigstens annähernd winkelstellungsunabhängige
Grösse der zur Umlaufbahn tangentialen Magnetkraftkomponente aufweist. Diese Verhältnisse
sind in Fig.5 angedeutet.
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Ein Konstruktionsbeispiel einer Antriebsvorrichtung für die Ausführung
nach Fig.4 ist in Fig.6 angedeutet. Hier umgreift ein ringartiger Magnetkern MK
mit Wicklung MW einen Wälzlageraussenring AR, der den längs der Umlaufbahn UB bewegten
Wälzkörper WK unter der Wirkung seiner Fliehkraft in einfacher Weise führt und abstützt.
Als feste Detektorstation DTO ist ein kapazitiver Sensor vorgesehen, der in den
Wälzlagerring AR eingelassen ist und unmittelbar von dem durchlaufenden Wälzkörper
ausgelöst wird. Die schematisch angedeutete Umlaufzeit-Messvorrichtung MU ist an
die Detektorstation DTO angeschlossen.
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Ergänzend ist anzumerken, dass die Erfindung nicht auf Ausführungen
mit Zuführung der Antriebsenergie auf bestimmten Umlauf-Wegintervallen beschränkt
ist. Grundsätzlich kommt vielmehr auch eine zeitliche Bestimmung der Zuführintervalle
in Betracht, wobei sich für die Einstellung und Veränderung der Impulsenergie statt
einer Lageeinstellung der Schaltpunkte und einer räumlichen Festlegung der Intervallgrösse
die Verwendung entsprechender Zeitglieder vorteilhaft anbietet. Komplizierend macht
sich dann jedoch oft die Geschwindigkeitsabhängigkeit der durch Zeitgabe bestimmten
Wirkungswege der Antriebskraft und damit der Antriebsenergie bemerkbar. Die Verwirklichung
linearer
Zusammenhänge zwischen Antriebs energie und Einstellparametern wird dadurch oft
schwierig oder unmöglich, was für Relativ- und Verhältnismessungen weniger vorteilhaft
ist.