DE4221035A1

DE4221035A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen der vorspannung eines rollenlagers

Info

Publication number: DE4221035A1
Application number: DE19924221035
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Matsuzaki; Takeo Kawamata; Takashi Maeda
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 1993-01-07
Anticipated expiration: 2012-06-27
Also published as: US5517858A; JPH0510835A; JP2882105B2; US5263372A; DE4221035C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Vorspannung eines Rollenlagers. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung sind vorteilhaft für die einfache, schnelle und genaue Bestimmung der an ein Dop pelreihen-Kugellager oder Zweifachkugellager oder Doppelrei hen-Rollenlager oder Zweifachrollenlager angelegten Belastung bzw. Vorspannung.

Z. B. ist ein Doppelreihen-Kugellager, wie z. B. das aus Fig. 5 oder ein Zweifach- bzw. Duplex-Kugellager 6, wie z. B. das aus Fig. 6, herkömmlicherweise aus Lagerabschnitten von unter schiedlichen Maschinen und Vorrichtungen zusammengebaut. Von diesen ist das Doppelreihen-Kugellager 1, das in Fig. 5 ge zeigt ist, aus einem äußeren Ring 3 mit zwei Reihen äußerer Laufbahnen 2,2 auf einer inneren Umfangswand, einem inneren Ring 5 mit zwei Reihen innerer Laufbahnen 4,4 auf einer äuße ren Umfangswand und einer Anzahl von Kugeln 12 ausgebildet, die zum Drehen zwischen den äußeren Laufbahnen 2,2 und den inneren Laufbahnen 4,4 angeordnet sind. Aufgrund des Rollens dieser Kugeln 12 können sich ein Element, wie z. B. ein Gehäu se, das auf den äußeren Ring gepaßt ist und gehalten wird, und ein anderes Element, wie z. B. eine Welle, die an den inneren Ring 5 gepaßt ist und gehalten wird, relativ zueinander dre hen.

Das Zweifachkugellager 6, das in Fig. 6 dargestellt ist, ist aus zwei Kugellagern 11,11 zusammengesetzt, die entgegenge setzt angeordnet sind, wobei jedes aus einem äußeren Ring 8 mit einer inneren Laufbahn 9 auf einer äußeren Umfangswand, einem Ring 10 mit einer inneren Laufbahn 9 auf einer äußeren Umfangswand und einer Anzahl von Kugeln 12 ausgebildet ist, die zum Drehen zwischen der äußeren Laufbahn 7 und der inneren Laufbahn 9 vorgesehen sind.

In solch einem Doppelreihen-Kugellager 1 oder Zweifachkugel lager 6 ist eine Linie a, die durch die Berührungspunkte einer jeden Kugel 12 mit der äußeren Laufbahn 2 oder 7 und der inneren Laufbahn 4 oder 9 verläuft, um einen (Berührungs-) Winkel α bzgl. zu einer Linie b geneigt, die in einem rechten Winkel bzgl. zu einer mittigen Drehachse verläuft, und gleich zeitig wird jede Kugel 12 zwischen der äußeren Laufbahn 2 oder 7 und der inneren Laufbahn 4 oder 9 gedrückt bzw. gepreßt, da an das Doppelreihen-Kugellager 1 oder Zweifachkugellager 6 eine Vorspannung bzw. Belastung angelegt ist. Da der Grad einer solchen Vorspannung, der nachfolgend einfach als "Vor spannung" bezeichnet wird, wesentlich die Betriebseigenschaf ten des Doppelreihen-Kugellagers 1 und des Zweifachkugellagers 6 beeinflußt, ist es notwendig, die Vorspannung auf einen bestimmten Wert zu steuern bzw. zu kontrollieren. Insbesondere Hochleistungskugellager verlangen eine strenge Kontrolle bzw. Steuerung der Vorspannung.

Wie in der offengelegten japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. SHO 58-196 318 und der japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. HEI 2-61/700 offenbart ist, sind folglich Verfahren zur Messung einer Vorspannung vorgeschlagen worden, die an einem Kugellager angelegt werden durch Anlegen einer Vorspan nung bzw. Belastung oder Anlegen von Schwingungen in eine Stoßrichtung bzgl. eines Teils des Kugellagers.

Von diesen umfaßt das Verfahren, das in der offengelegten japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. SHO 58-196 318 offen bart ist, das Anlegen einer axialen Belastung an einem Teil eines Kugellagers und das gleichzeitige Messen von Verschie bungen, die Änderungen in der Belastung entsprechen, wobei eine Vorspannung aus dem Wert der Belastung geschätzt wird, an der eine plötzliche Verschiebung eintritt. Ein ähnliches Verfahren ist auch in der offengelegten japanischen Patentan meldung (Kokai) Nr. SHO 62-100 633 offenbart. Bei dem in der japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. HEI 2-61 700 offenbarten Verfahren, werden Schwingungen an Kugellager durch einen Vibrator angelegt, um die Resonanzfrequenz des Kugel lagers wahrzunehmen, wobei die Vorspannung dann aus der Reso nanzfrequenz bestimmt wird. Zusätzlich ist es auch üblich, eine Vorspannung abzuschätzen, die auf ein Kugellager ausgeübt wird, durch Anlegen einer Drehkraft auf einen äußeren Ring oder inneren Ring, die das Kugellager ausbilden, um dann ein Startdrehmoment nach dem Drehbeginn des Elementes zu messen, an das die Drehkraft angelegt ist.

Ferner offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr. HEI 1-112 019 ein Verfahren zum Abschätzen einer Vorspannung durch Verwendung von einer akustischen Ausstrah lung. Die offengelegte japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr.

HEI 2-159 536 offenbart eine Abschätzung einer Vorspannung durch Anlegen von Schwingungen auf einen äußeren Ring und einen inneren Ring und durch Messen der Amplitude der an den äußeren Ring übertragenen Schwingungen. Die offengelegte japanische Gebrauchsmusteranmeldung (Kokai) Nr. SHO 63-41 737 offenbart eine Messung einer Vorspannung durch einen Dehnungs meßstreifen bzw. einem Längenmeßgerät, das in einen vorge spannten Raum eingefügt ist.

Wenn eine Vorspannung eines Rollenlagers, wie z. B. eines Kugellagers, durch solch herkömmliche Verfahren gemessen wird, wie sie oben beschrieben sind, treten Nachteile auf, wie sie nachfolgend beschrieben sind.

Erstens, in dem Fall des Verfahrens, das in der offengelegten japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. SHO 58-196 318 offen bart ist, wird eine axiale Belastung an einem Teil eines Kugellagers angelegt. Deshalb können auf der Oberfläche der Laufbahnen eine Verformung durch Eindrücke oder eine Beschä digung auftreten, so daß ein genaues Drehen und die Lebens dauer des Kugellagers beeinträchtigt sein kann. Deshalb ist der Bereich, in dem dieses Verfahren verwendet werden kann, begrenzt. Da die Vorspannung aus dem Wert der Belastung ge schätzt wird, der zu dem Zeitpunkt angelegt ist, an dem eine plötzliche Verschiebung stattfindet, ist es schwierig, die Vorspannung präzise zu bestimmen. Es ist jedoch ausgeführt worden, die Festigkeit eines Lagers durch Anlegen einer Span nung in einem Bereich zu bestimmen, der keine Verformung durch Eindrücke und Beschädigung auf der Oberfläche einer Laufbahn bewirkt, wobei dann die sich ergebende Verschiebung gemessen wird.

Bei dem Verfahren aus der japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. HEI 2-61 700 wird die Meßvorrichtung komplex und aufwendig, z. B. wird ein Vibrator benötigt, weil Schwingungen an ein Kugellager angelegt werden müssen. Da die Messung durch Anlegen von Schwingungen ausgeführt wird, währenddessen sich das Kugellager nicht drehen kann (d. h. während des Anhaltens des Kugellagers in einem Stopzustand), ist es unmöglich eine Auswertung bei einer praktischen Drehgeschwindigkeit oder einer Drehgeschwindigkeit nahe der Betriebsdrehgeschwindigkeit auszuführen.

Ferner kann bei dem Verfahren, bei dem eine Vorspannung durch Anlegen eines Startdrehmomentes gemessen wird, die Vorspannung nicht genau bestimmt werden. Das Startdrehmoment neigt dazu, daß es nicht nur von der Vorspannung, sondern auch von anderen Faktoren, wie z. B. der Menge und der Viskosität eines Schmierstoffes, wie z. B. Schmierfett, dem Berührungszustand der Dichtungen, usw. abhängt. Da es schwierig ist, den Einfluß dieser anderen Faktoren auf das Startdrehmoment zu bestimmen, kann die Vorspannung nicht genau aus dem Startdrehmoment bestimmt werden.

Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zum Messen einer Vorspannung eines Rollenlagers vorzusehen, das frei von den oben beschriebenen Nachteilen ist.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Messen einer Vorspannung eines Rollenlagers vorzusehen, wobei die Vorrichtung frei von den oben beschriebenen Nachteilen ist.

In einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung ist folglich ein Verfahren zum Messen einer Vorspannung vorgesehen, die an ein Rollenlager angelegt ist, umfassend eine äußere Ringein richtung mit einer äußeren Laufbahn auf einer inneren Umfangs wand davon, eine innere Ringeinrichtung mit einer inneren Laufbahn auf einer äußeren Umfangswand davon und eine Anzahl von Rollenelemente, die zum Drehen zwischen der äußeren Lauf bahn und der inneren Laufbahn angeordnet sind. Während dem Drehen einer der äußeren Ringeinrichtung oder inneren Ringein richtung, wobei die andere Ringeinrichtung nicht drehend gehalten wird, werden Schwingungen der einen Ringeinrichtung oder der anderen Ringeinrichtung gemessen, wobei die Resonanz frequenz des Rollenlagers aus den Meßwerten der Schwingungen, die Lagersteifigkeit aus der Resonanzfrequenz und die Vor spannung aus der Lagersteifigkeit und aus dem Berührungswin kel der Anzahl von Rollenelementen bestimmt wird.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der ersten Aus führungsform dieser Erfindung werden Schwingungen der einen Ringeinrichtung oder der anderen Ringeinrichtung gemessen, die durch das Drehen der einen Ringeinrichtung verursacht werden, wobei die Drehfrequenz der anderen Ringeinrichtung und die Drehzahlfrequenz der Rollenelemente aus den Meßwerten der Schwingungen bestimmt werden und die Vorspannung des Rollen lagers dann aus einem Berührungswinkel, der aus der Drehfre quenz und Drehzahlfrequenz und der Lagersteifigkeit bestimmt wird.

In einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen einer Vorspannung eines Rollenlagers vorgesehen, umfassend eine äußere Ringeinrichtung mit einer äußeren Laufbahn auf einer inneren Umfangswand davon, eine innere Ringeinrichtung mit einer inneren Laufbahn auf einer äußeren Umfangswand davon und eine Anzahl von Rollenelemente, die zum Drehen zwischen der äußeren Laufbahn und der inneren Laufbahn angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung umfaßt ein Druckelement zum Drücken einer der äußeren Ringeinrichtung oder inneren Ringeinrichtung an einem Teil davon, um die eine Ringeinrichtung nicht drehbar zu halten, eine Antriebseinrichtung zum Drehen der anderen Ring einrichtung, ein Schwingungsmeßelement zum Messen von Schwin gungen der einen Ringeinrichtung oder der anderen Ringeinrich tung, einen Frequenzwandler zum Bestimmen der Resonanzfrequenz des Rollenlagers aus einem Meßsignal des Schwingungsmeßelemen tes und eine erste Berechnungs- bzw. Computereinrichtung zum Bestimmen der Vorspannung des Rollenlagers aus der Resonanz frequenz, die durch den Frequenzwandler bestimmt ist und auch aus dem Berührungswinkel der Rollenelemente.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der zweiten Aus führungsform dieser Erfindung umfaßt die Vorrichtung ferner ein zweites Schwingungsmeßelement zum Messen von Schwingungen der einen Ringeinrichtung oder der anderen Ringeinrichtung, die durch Drehen der anderen Ringeinrichtung verursacht wer den, ein Meß- bzw. Ausgabesignal, das von dem zweiten Schwin gungsmeßelement an den Frequenzwandler geliefert wird, um die Drehfrequenz der anderen Ringeinrichtung und die Drehzahl frequenz der Rollenelemente zu bestimmen, und eine zweite Computereinrichtung zum Bestimmen des Berührungswinkels der Rollenelemente aus der Drehfrequenz und Drehzahlfrequenz, die durch den Frequenzwandler bestimmt werden. Ein Signal, das den Berührungswinkel wiedergibt, das durch die zweite Computer einrichtung bestimmt wird, wird in die erste Computereinrich tung eingegeben.

In dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Messen einer Vorspannung eines Rollenlagers wird die Resonanzfrequenz des Rollenlagers aus den Meßwerten der Schwingungen einer äußeren oder/und inneren Ringeinrichtung bestimmt, so daß die Vorspannung des Rollenlagers durch eine einfache Vorrichtung bei einer Betriebsdrehzahl oder einer Drehzahl nahe der praktischen Betriebsdrehzahl gemessen werden kann.

Insbesondere in dem Fall des Verfahrens oder der Vorrichtung gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen der ersten und zweiten Ausführungsform dieser Erfindung werden die Drehfre quenz der anderen Ringeinrichtung und die Drehzahlfrequenz der Rollenelemente auf Grundlage von radialen Schwingungen der einen Ringeinrichtung bestimmt und der Berührungswinkel der Rollenelemente aus der Drehfrequenz und Drehzahlfrequenz bestimmt. Es ist deshalb möglich, eine Vorspannung eines Rollenlagers genau zu messen, auch wenn der Berührungswinkel der Rollenelemente nicht von vornherein genau bekannt ist.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Messen einer Vorspannung eines Rollenlagers kann die Vorspannung leicht und genau bestimmen und beschädigt außerdem das Rollenlager nicht bei der Ausführung der Messung. Dies erleichtert die Automatisation der Meßarbeit, so daß die Meßvorrichtung in eine Herstellungslinie für Rollenlager eingefügt werden kann, um die Vorspannung von jedem durch die Herstellungslinie hergestellten Rollenlager zu überwachen.

Die oben genannten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen anschaulich aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen in Verbindung mit den Zeich nungen hervor, in denen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispieles ist,

Fig. 2 ein Diagramm ist, das geeignete Be reiche von Vorspannungen und Berüh rungswinkel zeigt,

Fig. 3 ein schematischer Teilquerschnitt eines zweiten Ausführungsbeispieles ist,

Fig. 4 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispieles,

Fig. 5 ein Teilquerschnitt eines Beispieles eines Kugellagers ist, und

Fig. 6 ein Teilquerschnitt eines anderen Beispieles eines Kugellagers ist.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Ein Doppelreihenkugellager 13, dessen Vorspannung gemessen werden soll, ist aus einem äußeren Ring 3 mit Doppelreihen laufbahnen 2,2 auf einer inneren Umfangswand davon, einer Welle 14 mit Doppelreihen inneren Laufbahnen 4,4 auf einer äußeren Umfangswand davon und einer Anzahl von Kugeln 12 aufgebaut, die drehbar zwischen den äußeren Laufbahnen 2,2 und den inneren Laufbahnen 4,4 angeordnet sind. Beim Messen der Vorspannung wird der äußere Ring 3 des Doppelreihen-Kugel lagers 13 von außen angepaßt und auf einer Welle 17 gehalten, die in Verbindung mit einer Spindel 15, einem Elektromotor 16 und dgl., das nachfolgend beschrieben wird, eine Antriebsein heit darstellt.

Die Welle 17 ist fest in eine kegelförmige Bohrung 18 einge paßt, die mittig in einem Endabschnitt des Wellenteils 15 ausgebildet ist (auf der rechten Seite des Wellenteiles in Fig. 1). Das Wellenteil 15 ist drehbar zum Drehen innerhalb eines Radiallagers 19 gehalten. Da das Radiallager 19 vorzugs weise ein Lager verwenden sollte von einem Aufbau, der keine Schwingungen beim Drehen des Wellenteils 15 erzeugt, wie z. B. ein statisches Druckgaslager, Magnetlager oder supraleitendes Lager.

Das Wellenteil 15, das von dem Radiallager 19, wie oben be schrieben, gehalten wird, kann durch den Elektromotor 16 angetrieben und gedreht werden. In dem dargestellten Ausfüh rungsbeispiel führt ein Riemen 23 um eine Abtriebsscheibe 21, die auf dem gegenüberliegenden Endabschnitt des Wellenteils 15 befestigt ist, wobei auch eine Antriebsscheibe 22 an eine Antriebswelle des Elektromotors 16 befestigt ist. Nach dem Einschalten des Elektromotors 16 wird das Wellenteil 15 mit einer konstanten Geschwindigkeit von z. B. etwa 1800 U/min angetrieben.

Durch Setzen der Spannung des Riemens 23 auf einen geeigneten Wert und Wählen eines geeigneten Materials für den Riemen 23 kann das Wellenteil 15 abgehalten werden, Schwingungen während des Drehens der Spindel 15 durch den Elektromotor 16 zu erzeu gen. Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist es möglich, das Wellenteil 15 und die Antriebswelle des Elek tromotors 16 konzentrisch anzuordnen und das Wellenteil 15 mittels einer Magnetkupplung oder dgl. anzutreiben.

Ein Druckelement 24 ist gegenüber einer Endoberfläche der Welle 14 des Doppelreihen-Kugellagers 13 angeordnet, das von der Welle 17 gehalten ist. Dieses Druckelement 24 hat einen Druckzylinder 25, eine Schwenkkupplung 26 und eine Druckplatte 27. Ein Basisendabschnitt einer Stange 29 ist an einen Druck kolben 28 befestigt, der in den Druckzylinder 25 eingepaßt ist. Die Schwenkkupplung 26 ist mit einem freien Endabschnitt der Stange 29 verbunden. Die Schwenkkupplung 26 ist aus zwei Platten 30a, 30b und einer Kugel 31 ausgebildet, die zwischen den Platten 30a, 30b gehalten wird, so daß die Platten 30a, 30b schwenkbar gegeneinander beweglich sind.

Die Druckplatte 27 wird an einer Seitenwand von der Platte 30a gehalten, die die Platte ist, die dem Doppelreihen-Kugellager 13 gegenüberliegt (d. h. die linke Platte der Schwenkkupplung 28 in Fig. 1), wobei ein Dämpfer 32 dazwischen angeordnet ist. Wenn Arbeitsfluid in ein Zylinderabteil 33 des Druckzylinders 25 eingeführt wird, bewegt sich die Druckplatte 27 in Fig. 1 nach links und drückt gegen die Endfläche der Welle 4 des Doppelreihen-Kugellagers 13, so daß die Druckplatte 27 die Welle 14 in axiale Richtung drückt, d. h. in die linke Rich tung in Fig. 1. Durch diesen Druckvorgang wird ein Drehen des äußeren Rings 3 verhindert, selbst wenn der innere Ring 5 durch die Inbetriebnahme des Elektromotors 16 gedreht wird.

Die Schwenkkupplung 26 dient zum Drücken der Druckplatte 27 unter gleichbleibender Kraft über den gesamten Umfang gegen die Endoberfläche der Welle 14 während des oben genannten Druckvorganges. Der Dämpfer 32 verhindert die Übertragung von Schwingungen an die Welle 14, die in dem Druckzylinder 24 oder der Schwenkkupplung 25 erzeugt werden. Als Einrichtung zum Drücken der Druckerplatte 27 in axiale Richtung kann auch ein anderer Mechanismus, wie z. B. eine Spule anstatt des Druckzylinders 25 verwendet werden.

Ein Schwingungsaufnehmer 34 ist als Schwingungsmeßelement an eine Seite der Druckplatte 27 angebracht, an eine Stelle, die von dem Dämpfer 32 umgeben ist. Der Schwingungsaufnehmer 34 mißt axiale (in der waagrechten Richtung in Fig. 1) Schwingun gen, die von der Welle 14 an die Druckplatte 27 übertragen werden und sendet ein Signal A, das die Meßwerte darstellt, an eine Verstärkereinheit 35. Als Schwingungsmeßelement kann irgendeine Vorrichtung oder irgendein Element verwendet wer den, solange es solche radialen Schwingungen wahrnehmen kann. Beispiele für andere Vorrichtungen umfassen ein Verschiebungs bzw. Dehnungsmeßgerät, einen Geschwindigkeits- und einen Beschleunigungsmesser.

Eine Sonde 37 eines zweiten Schwingungsaufnehmers 36 wird als zweites Schwingungsmeßelement in Berührung mit einer äußeren Umfangswand der Welle 14 gehalten. Der zweite Schwingungsauf nehmer 34 mißt radiale Schwingungen der Welle 14 und gibt ein Signal B an eine zweite Verstärkereinheit 38 ab, das die Meßwerte darstellt. Als zweites Schwingungsmeßelement kann irgendeine andere Vorrichtung oder ein anderes Element ver wendet werden, solange es solche radialen Schwingungen wahr nehmen kann. Beispiele für andere Vorrichtungen umfassen ein Verschiebungs- bzw. Dehnungsmeßgerät, einen Geschwindigkeits- und einen Beschleunigungsmesser.

Verstärkte Signale C, D werden von den ersten und zweiten Verstärkereinheiten 35, 38 jeweils an einen Frequenzwandler 39 gesandt. Dieser Frequenzwandler 39, der einen Fourier-Trans formator umfaßt, bestimmt die Resonanzfrequenz f_a des Doppel reihen-Kugellagers 13, die Drehfrequenz f_r äußeren Rings 3 und die Drehzahlfrequenz f_c Anzahl von Kugeln 12 durch die Verwendung eines schnellen Fourier-Transformators (FFT - Fast Fourier Transformation).

Die Lagerfestigkeit K_a, die in Beziehung mit der Vorspannung F_a des Doppelreihen-Kugellagers 13 steht, wobei die Vorspannung gemäß der Erfindung bestimmt wird, kann als eine Funktion der oben genannten Resonanzfrequenz f_a und des Berühungswinkels α (K_a=f(f_a,α)) ausgedrückt werden, wobei der Berührungswinkel α durch eine Funktion der oben genannten Drehfrequenz f_r und Drehzahlfrequenz f_c (α=f(f_r,f_c)) und die Vorspannung F_a durch eine Funktion der oben genannten Lagersteifigkeit K_a und des Berührungswinkels α (F_a=f(K_a,α)) dargestellt werden, und es deshalb möglich ist, die Vorspannung F_a des Doppelreihen-Kugel lagers 13 zu bestimmen, sobald die Resonanzfrequenz f_a des Doppelreihen-Kugellagers 13, die Drehfrequenz f_r des äußeren Rings 3 und die Drehzahlfrequenz f_c der Anzahl von Kugeln 12 bestimmt sind.

Der Berührungswinkel α kann durch die folgenden Formeln (1) und (2) aus der Drehfrequenz f_r und Drehzahlfrequenz f_c die beide durch die Frequenzwandler 39 bestimmt werden, wie es oben beschrieben ist, dem äußeren Durchmesser D_a der Kugeln 12 und dem Abstandsdurchmesser d_m der Kugeln 12 bestimmt werden. Der Abstandsdurchmesser d_m ist der Abstand zwischen den Mittel punkten zweier diametral gegenüberliegenden Kugeln. Der äußere Durchmesser D_a und der Abstandsdurchmesser d_m der Kugeln 12 sind herstellungsbedingte Abmessungen.

f_c = f_r(d_m + D_acos α)2d_m (1)

Die Formel (1) kann in die folgende Formel (2) umgeschrieben werden:

α = cos^-1 [d_m {(2f_c/f_r) - 1}/D_a] (2)

Die Drehfrequenz f_r des äußeren Rings 3 und die Drehzahlfre quenz f_c der Anzahl von Kugeln 12 kann aus radialen Schwingun gen der Welle 14 gemäß den folgenden Erkenntnissen bestimmt werden.

Zuerst werden die Gründe für die erfolgreiche Bestimmung der Drehfrequenz f_r beschrieben. Obwohl die einzelnen Elemente, die das Doppelreihen-Kugellager 13 ausbilden, mit äußerster Genau igkeit gefertigt werden, gibt es tatsächlich keinen Fall, wo kein Fehler bzw. keine Toleranz besteht, sowohl in ihren Ober flächengestaltungen als auch den Abmessungen. Z. B. sind die äußeren Laufbahnen und die inneren Laufbahnen jeweils exzen trisch zueinander bzgl. des Mittelpunkts der Drehung des Lagers, obwohl der Grad ihrer Exzentrizität sehr klein ist. Wegen dieser Exzentrizität wird eine Drehfrequenzkomponente erzeugt. Die Drehfrequenz f_r kann deshalb durch Messen irgend einer der radialen Schwingungen, Winkelschwingungen und axia len Schwingungen des Drehrings oder der anderen Ringeinrich tung oder des befestigten Rings oder der anderen Ringeinrich tung bestimmt werden.

Nachfolgend werden die Gründe für die erfolgreiche Bestimmung der Drehzahlfrequenz f_c beschrieben. Obwohl von einer Anzahl von Kugeln, die in ein einziges Kugellager eingebaut sind, angenommen wird, daß sie denselben äußeren Durchmesser haben, unterscheidet sich der äußere Durchmesser ein wenig von einer Kugel zu einer anderen Kugel durch die unvermeidlichen Her stellungstoleranzen und Herstellungsfehler. Wegen der Drehung der Anzahl von Kugeln, deren äußerer Durchmesser ein wenig voneinander abweicht, wie es oben aufgeführt ist, schwingt die eine Ringeinrichtung oder die andere Ringeinrichtung in radia le Richtung, Winkelrichtung oder axiale Richtung. Die Frequenz dieser Schwingungen stimmt mit der Drehzahlfrequenz der Anzahl von Kugeln oder mit einem ganzzahligen Vielfachen der Dreh zahlfrequenz der Kugeln überein. Ferner unterliegen die äuße ren Laufbahnen und inneren Laufbahnen einer kleiner Mäande rung. Während des Drehens der äußeren Ringeinrichtung schwingt die eine Ringeinrichtung oder die andere Ringeinrichtung in radiale Richtung, Winkelrichtung oder axiale Richtung durch die Mänderung. Die Frequenz dieser Schwingungen enthält des halb die Drehzahl- bzw. Drehfrequenzkomponente der Kugeln. Die Drehzahl- bzw. Drehfrequenz der Kugeln kann bestimmt werden, sobald die Frequenz der radialen, Winkel- oder axialen Schwin gungen der einen Ringeinrichtung oder der anderen Ringeinrich tung bestimmt ist.

Wie es oben beschrieben ist, bestimmt der Frequenzwandler 39 auf Grundlage der Schwingungen der Welle 14 die Drehfrequenz f_r des äußeren Rings 3 und der Drehzahlfrequenz f_c der Kugeln 12 als auch die Resonanzfrequenz f_a des Doppelreihenkugellagers 13. Signale E, die die jeweiligen Frequenzen f_r, f_c und f_a anzeigen, werden an eine erste Computereinrichtung 40 gesandt. Die erste Computereinrichtung 40 bestimmt den Berührungswinkel α durch die Verwendung der Formeln (1) und (2) und bestimmt dann die Lagersteifigkeit K_a des Doppelreihen-Kugellagers 13 in Übereinstimmung mit der oben beschriebenen Funktion

K_a = f(f_a, α).

Signale F, die den Berührungswinkel α und die Kugellagerstei figkeit K_a darstellen, die durch die erste Computereinrichtung 40 bestimmt sind, werden anschließend an eine zweite Computer einrichtung 41 abgegeben. Die zweite Computereinrichtung 41 bestimmt dann die Vorspannung F_a des Doppelreihen-Kugellagers 13 auf Grundlage der Signale F. Das Verfahren zum Bestimmen der Kugellagersteifigkeit K_a aus dem Berührungswinkel α und der Resonanzfrequenz f_a und ferner zur Bestimmung der Vorspannung F_a kann ein Fachmann einfach verwenden durch Anwenden bekannter Theorien zu den Formeln, die z. B. in "NSK Report" 59-66, November 1989 durch die bezeichnete Firma veröffentlicht oder "Korogari Jukuuke Kogaku (Rolling Bearing Engineering - Rol lenlagertechnik)" 248-252 übersetzt durch das "Rolling Bea ring Engineering Edition Committee", das durch Kabushiki Kaisha Yokendo veröffentlicht ist. Eine genaue Beschreibung dieses Verfahrens wird deshalb weggelassen.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Signal G, das die Vorspannung F_a anzeigt und das durch die zweite Compu tereinrichtung 41 bestimmt ist, an einen Diskriminator 42 abgegeben. Durch den Diskriminator 42 wird daher entschieden, ob die Vorlast F_a, die an das Doppelreihen-Kugellager 13 angelegt ist, innerhalb des geeigneten Bereichsfeldes liegt, oder ob sie nicht darin liegt. In den Diskriminator 42 sind ein maximal zulässiger Wert F_amax und ein minimal zulässiger Wert F_amin der Vorspannung _a als auch ein maximal zulässiger Wert α_max und ein minimal zulässiger Wert α_min des Berührungs winkels α gespeichert, wobei die Werte in Fig. 2 dargestellt sind. Wenn die Vorspannung F_a des Doppelreihen-Kugellagers 13 zwischen dem maximal zulässigen Wert F_amax und dem minimal zulässigen Wert F_amin und dem Berührungswinkel α zwischen dem maximal zulässigen Wert α_max und dem minimal zulässigen Wert α_min sind, in anderen Worten, wenn die Vorspannung F _aund der Berührungswinkel α in dem kreuzweise schraffierten Bereich in Fig. 2 liegen, entscheidet der Diskriminator 42, daß das Doppelreihen-Kugellager 13 nicht defekt ist, aber wenn die Vorspannung F_a und der Berührungswinkel α außerhalb des kreuz weise schraffierten Bereichs in Fig. 2 liegen, entscheidet der Diskriminator 42, daß das Doppelreihen-Kugellager 13 defekt ist.

Gemäß der Vorrichtung, die gemäß obiger Beschreibung aufgebaut ist und betrieben wird und die geeignet ist, eine Vorspannung eines Rollen- bzw. Wälzlagers zu messen, werden die Frequenzen der Schwingungen in der Stoß- und radialen Richtung der Welle 14 während des Drehens des äußeren Ringes 3 des Doppelreihen- Kugellagers 13 gemessen, wobei dann die Vorspannung F_a aus diesen Schwingungsfrequenzen bestimmt wird. Die Vorspannung F_a kann deshalb leicht und genau bestimmt werden, und außerdem wird das Doppelreihen-Kugellager 13 nicht durch die Meßarbeit bzw. den Meßvorgang beschädigt.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Lagerstei figkeit K_a aus Schwingungen der Welle 14 in der Stoßrichtung bestimmt. Die Lagersteifigkeit K_a kann jedoch auch aus Schwin gungen der Welle 14 in radiale Richtung oder aus Schwingungen der Welle 14 in Winkelrichtung erhalten werden.

In dem ersten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 dargestellt ist, werden Schwingungen der Welle 14 gemessen, während die Welle 14 fixiert ist und sich der äußere Ring 3 dreht. In Fig. 3 ist es umgekehrt dargestellt. Die Vorspannung F_a des Doppel reihen-Kugellagers 13 kann auch durch Messen von Schwingungen des äußeren Ringes 3 bestimmt werden, während der äußere Ring 3 fixiert ist und sich die Welle 14 dreht.

Wenn die Drehfrequenz der Welle 14 und die Drehzahlfrequenz der Kugeln 12 auf Grundlage von radialen Schwingungen des äußeren Rings 3 bestimmt werden, sollten die folgenden For meln (3) und (4) anstatt den Formeln (1) und (2) verwendet werden.

f_c = f_r(d_m - D_acos α)/2d_m (3)

α = cos^-1 [d_m (1 - (2f_c/f_r)}/D_a] (4)

Wenn der Berührungswinkel α der Kugeln 12, die das Doppelrei hen-Kugellager 13 ausbilden, dessen Vorspannung F_a gemessen werden soll, im vornherein bekannt ist, wird ein Signal H, das den Berührungswinkel α anzeigt, von einem Berührungswinkelset zer 43 an eine zweite Computereinrichtung 41 abgegeben und auf Grundlage des Signals I, das die Lagersteifigkeit K_a anzeigt, die durch die von dem Schwingungsaufnehmer 34 gemessenen Werte und dem oben genannten Signal H bestimmt ist, kann die Vor spannung F_a bestimmt werden (siehe Fig. 4).

Die vorliegende Erfindung zum Messen einer Vorspannung eines Doppelreihen-Kugellagers ist oben beschrieben worden. Es wird festgestellt, daß das Verfahren und die Vorrichtung der Erfin dung zum Messen einer Vorspannung eines Rollenlagers, als auch zum Messen einer Vorspannung eines Duplex-Kugellagers, Doppel rollenlager und Duplex-Rollenlager verwendet werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer Vorspannung, die an ein Rol lenlager (13) angelegt ist, umfassend eine äußere Ringe inrichtung (3) mit einer äußeren Laufbahn (2) auf einer inneren Umfangswand davon, einer inneren Ringeinrichtung (14) mit einer inneren Laufbahn (4) auf einer äußeren Umfangswand davon und einer Anzahl von Rollenelementen (12), die zum Drehen zwischen der äußeren Laufbahn und der inneren Laufbahn angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß während des Drehens einer der äußeren Ringeinrichtung oder inneren Ringeinrichtung, wobei die andere Ringein richtung nicht drehbar festgehalten ist, Schwingungen der einen Ringeinrichtung oder der anderen Ringeinrichtung gemessen werden, die Resonanzfrequenz der Rollenlager aus den Meßwerten der Schwingungen, die Lagersteifigkeit des Rollenlagers aus der Resonanzfrequenz und die Vorspannung aus der Lagersteifigkeit und dem Berührungswinkel der Anzahl von Rollenelementen bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schwingungen der einen Ringeinrichtung oder der ande ren Ringeinrichtung aufgrund der Drehung der anderen Ringeinrichtung gemessen werden, wobei die Drehfrequenz der anderen Ringeinrichtung und die Drehzahlfrequenz der Rollenelemente (12) aus den Meßwerten der Schwingungen bestimmt werden und die Vorspannung der Rollenlager aus einem Berührungswinkel bestimmt wird, der aus der Dreh frequenz und Drehzahlfrequenz und der Lagersteifigkeit bestimmt wird.

3. Vorrichtung zum Messen einer Vorspannung eines Rollen lagers (13) umfassend eine äußere Ringeinrichtung (3) mit einer äußeren Laufbahn (2) auf einer inneren Umfangswand davon, einer inneren Ringeinrichtung (14) mit einer inne ren Laufbahn (4) auf einer äußeren Umfangswand davon und einer Anzahl von Rollenelementen (12), die zum Drehen zwischen der äußeren Laufbahn und der inneren Laufbahn angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung umfaßt ein Druckelement (24) zum Drücken einer der äußeren Rin geinrichtung oder inneren Ringeinrichtung an einem Teil davon, um die eine Ringeinrichtung nicht drehbar zu hal ten, eine Antriebseinrichtung (15, 16, 17, 20) zum Drehen der anderen Ringeinrichtung, ein Schwingungsmeßelement (34) zum Messen von Schwingungen der einen Ringeinrich tung oder der anderen Ringeinrichtung, einen Fre quenzwandler (39) zum Bestimmen der Resonanzfrequenz des Rollenlagers aus einem Meßsignal des Schwingungsmeßele mentes und eine erste Computereinrichtung (40) zum Be stimmen der Vorspannung des Rollenlagers aus der Reso nanzfrequenz, die durch den Frequenzwandler bestimmt ist, und auch aus dem Berührungswinkel der Rollenelemente.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner umfaßt ein zweites Schwingungsmeßelement (36) zum Messen von Schwingungen der einen Ringeinrichtung oder der anderen Ringeinrichtung, die durch die Drehung der anderen Ring einrichtung verursacht werden, ein Meßsignal von dem zweiten Schwingungsmeßelement (36), das an den Frequen zwandler (39) geführt wird, zum Bestimmen der Drehfre quenz von der anderen Ringeinrichtung und der Drehzahl frequenz der Rollenelemente und eine zweite Computerein richtung (41) zum Bestimmen des Berührungswinkels der Rollenelemente aus der Drehfrequenz und Drehzahlfrequenz, die durch den Frequenzwandler (39) bestimmt ist, wobei und ein Signal, das den Berührungwinkel anzeigt und das durch die zweite Computereinrichtung (41) bestimmt ist, an die erste Computereinrichtung (40) abgegeben wird.