DE4304818A1

DE4304818A1 - Einrichtung zum Erfassen von lastinduzierten Spannungen in Wälzlagern

Info

Publication number: DE4304818A1
Application number: DE19934304818
Authority: DE
Inventors: Karl-Ludwig Grell
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-17
Filing date: 1993-02-17
Publication date: 1994-08-18

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen von lastinduzier ten Spannungen in Wälzlagern, die durch Überrollvorgänge der Wälzkör per hervorgerufen werden.

An den Berührungsstellen zwischen Wälzkörpern und Lagerringen treten bei der Kraftübertragung sehr hohe örtliche Druckspannungen, sogenann te Hertz′sche Pressungen auf. Diese können bis zu 4000 N/mm² betragen. Oberflächendefekte in den Wälzkörpern oder in den Laufbahnen der Lagerringen ergeben somit Änderungen in den Überrollbedingungen, die sich wieder in veränderten Hertz′schen Pressungen niederschlagen. Für die Überwachung eines Wälzlagers spielt daher die Hertz′sche Pressung eine entscheidende Rolle.

So ist beispielsweise in der DE-OS 29 47 937 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Wälzlagerschäden beschrieben. Dieses Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß die örtliche Beanspruchung der Kraftwirkungslinie durch einen geometrischen ausgebildeten Schaden beim Überrollen durch einen Wälzkörper eine andere ist als im Falle, daß das Lager schadensfrei ist. Solange das Lager ohne Schaden ist, ist an den Meßfühlern eine sinusartig schwellende Beanspruchung fest zustellen. Dazu sind an den Teilen der Lageraufnahme sowohl außerhalb des Lageraußenringes als auch innerhalb des Lagerinnenringes Dehnungs meßstreifen angeordnet, die die örtliche Beanspruchung in ein elek trisches Signal umwandeln. Dies erfolgt dadurch, daß der Dehnungsmeß streifen die bei Belastung an der Meßstelle auftretenden Dehnungen oder Stauchungen mit macht, was zu einer elastischen Längung mit Querkontraktion oder Verkürzung mit Querstauchung des Widerstands drahtes und als Folge davon zu einer Widerstandsänderung führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu entwickeln, die andere Meßprinzipien zur Erfassung von induzierten Lastspannungsimpulsen benützt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Innen- oder Außenring mindestens eine bis in die Lastzone führende axiale Bohrung angeordnet ist, deren radialer Abstand von der Laufbahn des Innen- oder Außenringes das drei- bis zehnfache des Abstandes des maximalen Schubspannungspunktes von der Laufbahn beträgt, diese Bohrung mit einer hydraulischen Flüssigkeit gefüllt ist, an ihrem offenen Ende mit einer Membran verschlossen ist, an der ein Meßfühler angeordnet ist, der mit einer Bewertungseinrichtung verbunden ist.

Beim Abrollen der belasteten Wälzkörper auf den Laufbahnen der Lager ringe entstehen elastische Verformungen, die zu periodischen Schwin gungen führen. Diese elastische Verformungen bzw. Schwingungen führen zu einer kurzzeitigen Volumenverkleinerung der mit einer hydraulischen Flüssigkeit gefüllten radialen Bohrung. Entsprechend der Gesetzen der Hydrostatik, wonach der Druck in einer Flüssigkeit gleichmäßig in alle Richtungen wirkt, bewirkt diese Volumenverkleinerung eine Erhöhung des hydrostatischen Druckes, der sich am Ende der mit einer Membran ver schlossenen Bohrung mit einer Meßtastatur abnehmen läßt. Die Meßsigna le eines derartigen Druck-Weg-Wandlers repräsentieren entsprechend der Anzahl der vorhandenen Bohrungen die örtlichen Beanspruchungen in nerhalb eines Lagers und werden in bekannter Weise mit Hilfe elek tronischer Schaltungen ausgewertet.

Eine Veränderung in der örtlichen Beanspruchung des Lagers, verursacht beispielsweise durch einen Fehler an den Wälzkörpern oder den Laufbah nen, gleichbedeutend mit einer Veränderung der Hertz′schen Pressung, kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung schnell und sicher erfaßt werden.

Weitere, erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unter ansprüche und werden im folgenden näher beschrieben.

So soll nach Anspruch 2 der radiale Abstand der Bohrung von der Lauf bahn des Innen- oder Außenringes das drei- bis zehnfache des Abstan des des maximalen Schubspannungspunktes betragen. Da die Vergleichs spannung im Lagerring ausgehend von der Laufbahn in radial Richtung abnimmt, ist gewährleistet, daß eine genügend hohe, aber nicht zu hohe Spannung in der Bohrungswand entsteht, so daß die Dauerfestigkeit des Werkstoffes an dieser Stelle nicht überschritten werden kann.

Aus Anspruch 3 geht hervor, daß außerhalb der Lastzone eine zweite, gleichartige radiale Bohrung angeordnet sein soll. Unter der Voraus setzung einer homogenen Temperaturverteilung im Lagerbereich erfolgt mit dieser zweiten, gleichartigen befüllten Bohrung außerhalb der Lastzone eine Vergleichsmessung. Mit dieser Vergleichs- bzw. Diffe renzdruckmessung kann der größere Temperaturkoeffizient der Hydraulik flüssigkeit gegenüber dem von Stahl kompensiert werden.

Aus einem weiteren Merkmal der Erfindung nach Anspruch 4 geht hervor, daß die Bohrung in der Lastzone kavernenartig ausgebildet ist. Dies ist insbesondere bei miniaturisierten Wälzlagern von Vorteil, da durch diese Ausbauchung eine höhere Füllmenge möglich ist und so die Messung sensibler ausgeführt werden kann.

Nach dem unabhängigen Anspruch 5 ist weiterhin vorgesehen, daß im Innen- oder Außenring mindestens eine bis in die Lastzone führende axiale Bohrung angeordnet ist, in der Lastzone ein piezoresistiver Sensor angeordnet ist, der mit einer Bewertungseinrichtung verbunden ist. Nach dem piezoelektrischen Effekt treten bei Kristallen infolge einer Deformation elektrische Ladungen an den Oberflächen auf, wobei die auftretende Ladung von der Stärke der einwirkenden Kraft abhängt.

Die in der Lastzone auftretenden Druckschwankungen beim Überrollvor gang werden durch den piezoresistiven Sensor in elektrische Signale umgewandelt und weiterverarbeitet. Der Vorteil einer piezoelektrischen Messung gegenüber einer Messung nach dem hydrostatischen Prinzip besteht darin, daß kein druckübertragendes Medium in Form einer Flüs sigkeit benötigt wird.

Aus Anspruch 6 geht hervor, daß auch bei der piezoelektrischen Meßme thode der radiale Abstand der Bohrung von der Laufbahn des Innen- oder Außenringes das drei- bis zehnfache des Abstandes des maximalen Schubspannungspunktes von der Laufbahn des Innen- oder Außenringes beträgt. Wie bereits beschrieben, wird durch diese Maßnahme gewähr leistet, daß die Dauerfestigkeit des Werkstoffes nicht überschritten werden kann.

Nach einem weiteren unabhängigen Anspruch 7 ist vorgesehen, daß im Innen- oder Außenring mindestens eine bis in die Lastzone führende axiale Bohrung angeordnet ist, in der Lastzone der Bohrung ein mem branartiger Spiegel vorhanden ist, der mit einer Bewertungseinrichtung verbunden ist. Die durch Überrollvorgänge hervorgerufenen spannungs induzierten elastischen Änderungen führen zu einem Spiegelreflex oder zu Lichtspalteffekten, die beispielsweise mittels Glasfaser optisch erfaßt und weiter verarbeitet werden können.

Auch bei dieser Meßmethodik ist nach Anspruch 8 vorgesehen, daß der radiale Abstand der Bohrung von der Laufbahn des Innen- oder Außen ringes das drei- bis zehnfache des Abstandes des maximalen Schub spannungspunktes beträgt.

Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläu tert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein einreihiges Kugellager mit einer Einrichtung zum Erfassen von lastinduzierten Span nungen,

Fig. 2 ein Diagramm mit Linien gleicher Vergleichsspannung für ein Wälzlager mit zugehöriger Anordnung der radialen Bohrung.

Die Fig. 1 zeigt eine Lagerbaugruppe mit einer Welle 1, einem Lager 2 sowie einem Gehäuse 3. Das Lager 2 besteht aus einem Innenring 4, einem Außenring 5 und Wälzkörpern 6, die auf zugehörigen Bahnen des Innen- 4 bzw. Außenringes 5 abwälzen.

Im vorliegenden Beispiel ist der Außenring 5 mit einer radialen Boh rung 7 versehen, die an ihrem offenen Ende mit einer Membran 8 ver schlossen ist. Die Bohrung 7 ist mit einer hydraulischen Flüssigkeit 11, beispielsweise Öl blasenfrei gefüllt. An der Membran 8 liegt ein Meßfühler 9 an, der mit einer Bewertungseinrichtung 10 in Verbindung steht.

Wird nun ein derartiges Lager 2 mit einer bestimmten konstanten Radi allast belastet und weist über den gesamten Umfang des Außenringes 5 verteilte radiale Bohrungen 7 mit Meßfühlern 9 auf, so zeigt jeder Meßfühler 9 die entsprechende örtliche Beanspruchung des Lagers 2 durch die Überrollvorgänge der Wälzkörper 6 an. Tritt nun beispiels weise durch einen Defekt in der Laufbahn des Außenringes 5 eine ver änderte örtliche Belastung auf, so wird in dem zugehörigen Meßfühler 9 eine Druckänderung festgestellt, in ein elektrisches Signal umgewan delt und zu einer entsprechenden Bewertungseinrichtung 10 weitergelei tet.

In Fig. 2 sind in einem Diagramm der Linien gleicher Vergleichsspan nung für ein beliebiges Wälzlager die radiale Bohrung 7 und die Lauf bahn des Außenringes 5 schematisch eingezeichnet. Wie zu erkennen ist, liegt der maximale Schubspannungspunkt in einem radialen Abstand a₁ unterhalb des Grundes der Laufbahn des Außenringes 5. Die radiale Bohrung 7 führt bis in das Zentrum der Lastzone und ist so angelegt, daß ihr radialer Abstand a₂ von der Laufbahn des Außenringes 5 etwa den dreifachen Wert des Abstandes a₁ annimmt.

Bezugszeichenliste

1 Welle
2 Lager
3 Gehäuse
4 Innenring
5 Außenring
6 Wälzkörper
7 axiale Bohrung
8 Membran
9 Meßfühler
10 Bewertungseinrichtung
11 hydraulische Flüssigkeit.

Claims

1. Einrichtung zum Erfassen von lastinduzierten Spannungen in Wälz lagern (2), die durch Überrollvorgänge von Wälzkörpern hervorgerufen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Innen- (4) oder Außenring (5) mindestens eine bis in die Lastzone führende axiale Bohrung (7) angeordnet ist, diese Bohrung (7) mit einer hydraulischen Flüssigkeit (11) gefüllt ist, an ihrem offenen Ende mit einer Membran (8) ver schlossen ist, an der ein Meßfühler (9) angeordnet ist, der mit einer Bewertungseinrichtung (10) verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der radia le Abstand der Bohrung (7) von der Laufbahn des Innen- (4) oder Außen ringes (5) das drei- bis zehnfache des Abstandes des maximalen Schub spannungspunktes von der Laufbahn des Innen- (4) oder Außenringes (5) beträgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der Lastzone eine zweite, gleichartige radiale Bohrung angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Boh rung (7) in der Lastzone kavernenartig ausgebildet ist.

5. Einrichtung zum Erfassen von lastinduzierten Spannungen in Wälz lagern (2) die durch Überrollvorgänge von Wälzkörpern (6) hervorgeru fen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Innen- (4) oder Außenring (5) mindestens eine bis in die Lastzone führende axiale Bohrung (7) angeordnet ist, in der Lastzone der Bohrung (7) ein piezo resistiver Sensor angeordnet ist, der mit einer Bewertungseinrichtung (10) verbunden ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der radia le Abstand der Bohrung (7) von der Laufbahn des Innen- (4) oder Außen ringes (5) das drei- bis zehnfache des Abstandes des maximalen Schub spannungspunktes von der Laufbahn des Innen- (4) oder Außenringes (5) beträgt.

7. Einrichtung zum Erfassen von lastinduzierten Spannungen in Wälz lagern (2), die durch Überrollvorgänge von Wälzkörpern (6) hervor gerufen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Innen- (4) oder Außenring (5) mindestens eine bis in die Lastzone führende axiale Bohrung (7) angeordnet ist, in der Lastzone der Bohrung (7) ein mem branartiger Spiegel angeordnet ist, der mit einer Bewertungseinrich tung (10) verbunden ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der radia le Abstand der Bohrung (7) von der Laufbahn des Innen- (4) oder Außen ringes (5) das drei- bis zehnfache des Abstandes des maximalen Schub spannungspunktes von der Laufbahn des Innen- (4) oder Außenringes (5) beträgt.