DE4335776C2 - Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie im Bereich bewegter technischer Rollkörper und Vorrichtung hierzu - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie im Bereich bewegter technischer Rollkörper, insbesondere aus Metall, deren Abrolleigenschaften an den Lager- bzw. Abwälzpunkten überwacht werden sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Reibung technischer Rollkörper wird dadurch hervorgerufen, daß das Material des technischen Rollkörpers anelastisch (nachfolgend), normaler­ weise im atomaren oder Molekülbereich, deformiert werden und sich hierbei im Bereich der Abwälz- oder Rollpunkte solcher Körper Druck- und Spannungskräfte ergeben. Zur Aufrechterhaltung oder Beschleunigung der Rotationsgeschwindigkeit der Rollkörper muß prinzipiell Energie aufge­ wendet werden, die die Rollreibungskräfte kompensieren und hierbei zur Erwärmung der technischen Rollkörper, bzw. deren Unterlagen beiträgt.

Oftmals führen Fehlverhalten solcher technischer Rollkörper zu verheerenden Unfällen, die nur durch permanentes Kontrollieren der Abrolleigenschaften entsprechender Rollkörper oder deren Unterlagen zu verhindern sind. Gegenwärtig werden die Abrolleigenschaften technischer Rollkörper nicht permanent kontrolliert.

Die DE 39 37 966 A1 beinhaltet ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Kraftschlußverhältnisse zwischen Fahrzeugreifen und Fahrbahn. Dazu sind im Reifenprotektor mindestens ein Sensor angeordnet, der beim Durchlaufen des Reifenlatsches die Verläufe der lokalen Spannungen bzw. Dehnung bzw. Verformungen in horizontaler Richtung und in Normalrichtung erfaßt. Die Meßsignale des Sensors werden an eine Auswerteeinrichtung übertragen. Dort wird aus diesen Meßsignalen sowohl der derzeit beanspruchte Kraftschlußbeiwert als auch der maximal mögliche Kraftschlußbeiwert zwischen dem Fahrzeugreifen und der Fahrbahn ermittelt. Mit diesem Verfahren werden aber keine Rollreibungskräfte gemessen.

Durch die DE 35 36 474 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Reib­ momentes eines Meßlagers bekanntgeworden, bei dem man einen Lager­ ring des Meßlagers mit konstanter Drehzahl dreht, während man den anderen Lagerring über einen Meßkopf mit einer als Kraftaufnehmer wirkender Feder verbindet, wobei der Kraftaufnehmer ein Signal als Maß für das Reibmoment des Meßlagers erzeugt und die Bewegung des Meßkopf- Kraftaufnehmer-Systems möglichst wenig dämpft. Zur Kalibrierung der gesamten Meßeinrichtung wird das Meßlager durch ein Luftlager ersetzt, wobei man bei dieser Luftlageranordnung ein der Federverformung proportionales Signal und ein der Meßkopfbeschleunigung proportionales Signal erzeugt und daraus ein weiteres Signal ableitet. Bei der Reibmoment­ messung des Meßlagers werden anschließend die gewonnenen Signale summiert, wobei das Ergebnis ein Maß für das auftretende Reibmoment ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der genannten Gattung, die die Rollreibung verursachenden anelastischen Deformationen und die hierbei auftretenden Kräfte in den Bereichen der Lager- bzw. Abwälzpunkte eines technischen Rollkörpers in elektrische Energie umzuwandeln, um dadurch elektrische Energie zu gewinnen und die Abrolleigenschaften solcher Rollkörper zu kontrollieren.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Anspruches 1 und 2. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 4 gekennzeichnet. Weitere erfindungsgemäße Ausge­ staltungen sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß zumindest ein Teil der Rollreibungskräfte im Wirkungsbereich dieser Kräfte bei bewegten, technischen Rollkörpern in elektrische Energie umgewandelt und diese hierbei erzeugte elektrische Energie zur Kontrolle der Abrolleigenschaften oder der Form der Rollkörper im Bereich solcher Rollkörper verwendet werden kann.

Vorteilhaft können aus dieser periodisch erzeugten elektrischen Energie oder des elektrischen Signals die Abrolleigenschaften technischer Roll­ körper abgeleitet werden, so daß bei auftretenden Abweichungen oder Veränderungen dieser Signale, beispielsweise hinsichtlich der Zeit, der Form oder der Lage, innerhalb des Lagers oder des Abrollpunktes sofort entsprechende Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden können. Dadurch kann ein auftretendes Fehlverhalten des technischen Rollkörpers sofort erkannt werden, wodurch die Sicherheit solcher technischer Rollkörper, insbesondere in Lagern oder sonstigen Abwälzpunkten von hochwertigen technischen Geräten oder Maschinen, wesentlich gesteigert werden kann.

Dies wird dadurch erzielt, daß elektromechanische Wandler, die die im atomaren bzw. molekularen Bereich auftretenden Verformungskräfte der Rollreibung im Bereich des Abwälz- bzw. Lagerpunktes solcher Rollkörper dadurch aufzunehmen imstande sind, daß diese sich ihrerseits verformen und bei ihrer Verformung elektrische Energie erzeugen und somit einen elektrischen Impuls abzugeben imstande sind; dazu gehören zum Beispiel Piezoelemente. Derartige Wandler werden in oder an der Materialwandung des technischen Rollkörpers bzw. in der Unterlage im Bereich des Abwälz­ punktes derart integriert, daß die durch Rollreibung an einem Rollkörper und/oder dessen Unterlage periodisch umlaufenden Kräfteverteilungen in Form der periodisch auftretenden elastischen Verformungskräfte auf die Wandler direkt durch die Verformung des Rollkörpers bzw. dessen Unterlage übertragen werden, wodurch die Wandler in Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit des Rollkörpers oder dessen Unterlage periodisch elektrische Energie bzw. ein elektrisches Signal abgeben.

Die hierbei erzeugte elektrische Energie kann zusätzlich oder für sich zur Sicherheitskontrolle von technischen Geräten genutzt werden, wobei z. B. die Rotationsgeschwindigkeit als Abrolleigenschaft eines technischen Roll­ körpers permanent an einer Kontrollstation überprüft wird und hierdurch ein Fehlverhalten in den Bereichen solcher Körper sofort zu erkennen ist (z. B. in Fahrzeugen oder Fluggeräten, Geschwindigkeitsmessungen, zu großes Lagerspiel, etc.).

Die wesentliche Steigerung der Sicherheitskontrolle eines technischen Gerätes durch die Kontrolle dessen technischer Rollkörper führen dazu, daß bei einer Abweichung der elektrischen Energie und der hieraus gewonnenen Informationen ein Fehlverhalten in dem Bereich des ent­ sprechenden Rollkörpers sofort angezeigt wird und entsprechende Maß­ nahmen zur Vermeidung von Folgeschäden getroffen werden können.

Die Quantität der hierbei erzeugten elektrischen Energie wird durch die Anzahl solcher elektromechanischer Wandler, dem Material und dem Druck- bzw. der Zugkraft auf diese elektromechanischen Wandler, im Druck- und Spannungsbereich der Rollkörper und/oder deren Unterlagen vorgegeben. Die derart erzeugten elektrischen Energien können sowohl direkt, über Transformationssysteme an den Verbraucher oder einen ent­ sprechenden Speicher geleitet werden.

Unter dem Begriff elektromechanische Wandler sind alle Materialien und Systeme zu verstehen, die durch Druck- bzw. Zugkräfte innerhalb der ato­ maren Gitterstruktur eines Rollkörpers bzw. innerhalb seiner abrollenden oder sich abwälzenden Oberfläche elektrische Energien abgeben können; derzeit gehören dazu Piezoelemente, die durch die auftretenden Verfor­ mungskräfte der Rollreibung ihrerseits entsprechend verformt werden. Unter technische Rollkörper sind alle Systeme, zum Beispiel Lager oder son­ stige entsprechende Abwälzpunkte, zu verstehen, an denen elastische Verformungskräfte durch Rollreibung technischer Geräte oder Aggregate auftreten.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der schematisch zeigen:

Fig. 1 einen Rollkörper, der auf einer gestreckten Unterlage entspre­ chend bewegen wird, wobei in der Zeichnung die elektromecha­ nischen Wandler nur an dem Rollkörper angeordnet sind und

Fig. 2 einen beliebigen Rollkörper, dessen Unterlage den Rollkörper umfaßt, wobei die elektromechanischen Wandler in den Unter­ lagen des Rollkörpers und in diesem selbst angeordnet sind.

In Fig. 1 sind elektromechanische Wandler 1 in einem Rollkörper 2 derart eingebracht, daß durch Einwirken der Rollreibungskräfte auf den Roll­ körper 2 diese Kräfte auf die elektromechanischen Wandler 1 übertragen und hierdurch diese elektromechanischen Wandler 1 einer Druck- und/oder Zugkraft ausgesetzt werden, wodurch diese elektrische Energie abgeben.

In Fig. 2 sind elektromechanische Wandler 1 in einer Welle 2 und deren umfassende Unterlage 3 derart integriert, daß während der Abrollbewe­ gung die fortlaufend wechselnden Rollreibungskräfte in den Rollkörpern 2 und deren Unterlagen 3 auf die elektromechanischen Wandler 1 periodisch übertragen werden.

Die elektromechanischen Wandler können lediglich in den Unterlagen oder den Rollkörpern oder in beiden angeordnet sein.

Mit derartigen elektromechanischen Wandlern 1 können eine Vielzahl von Varianten von Lagern versehen werden, die von dessen Unterlage während der Bewegung eingefaßt sind und in technischen Geräten zur Senkung der Rollreibung sowie zur Überwachung der Rolleigenschaften angewendet werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie im Bereich bewegter technischer Rollkörper (2, 3), insbesondere aus Metall, wobei die die Rollreibung verursachenden anelastischen Deformationen und die hierbei auftretenden Kräfte im Bereich der Lager- bzw. Abwälzpunkte der Rollkörper (2, 3) periodisch auf elektromechanische Wandler (1) übertragen und hierdurch zumindest teilweise in elektrische Energie umgewandelt werden.

2. Verfahren zum Überwachen bewegter technischer Rollkörper, vorzugs­ weise aus Metall, die von deren Abrollunterlage umfaßt werden, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Rollreibung verursachenden anelastischen Deformationen und die hierbei auftretenden Kräfte im Bereich der Lager- bzw. Abwälzpunkte der Rollkörper (2, 3) auf in diesem Einwirkungsbereich der Verformungs­ kräfte angeordnete elektromechanische Wandler (1) übertragen und in elektrische Energie umgewandelt werden, so daß an den Wandlern (1) periodisch ein elektrisches Signal abgenommen und ausgewertet werden kann.

3. Verfahren zum Überwachen eines Lagers oder des Abwälzpunktes eines sich um eine stationäre Achse drehenden oder rollenden technischen Rollkörpers (2, 3), nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Überwachungssignal bzw. elektrische Energie am sich um eine stationäre Achse drehenden oder rollenden technischen Rollkörper (2, 3) im Bereich des Lager- oder Abwälzpunktes des Rollkörpers (2, 3) auf der Achse bzw. der Unterlage erzeugt wird, indem die die Rollreibung verursachenden Verformungskräfte auf sich im Einwirkungsbereich dieser Verformungskräfte befindliche, auf diese Verformungskräfte reagierende, elektromechanische Wandler (1) übertragen und von diesen in elektrische Energie umgewandelt werden, so daß an den Wandlern (1) ein periodisches elektrisches Signal abgenommen und ausgewertet werden kann.

4. Vorrichtung zum Überwachen bewegter technischer Rollkörper, vorzugs­ weise aus Metall, die von deren Abrollunterlage umfaßt sind, wobei in den Bereichen der Lager- bzw. Abwälzpunkte der Rollkörper (2, 3) elektromecha­ nische Wandler (1) angeordnet sind, die aufgrund der durch die Rollreibung verursachten anelastischen Deformationen sowie der hierbei auftretenden Kräfte ihrerseits periodisch verformbar und dadurch elektrische Energie zu erzeugen bzw. ein elektrisches Signal abzugeben imstande sind.

5. Vorrichtung zum Überwachen eines Lagers oder des Abwälzpunktes eines sich um eine stationäre Achse drehenden oder rollenden technischen Rollkörpers (2, 3), vorzugsweise aus Metall, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Lager- oder Abwälzpunktes des Rollkörpers (2, 3) auf der Achse bzw. der Unterlage elektromechanische Wandler (1) angeordnet sind, die aufgrund der die Rollreibung verursachenden Verformungskräfte auftretenden anelastischen Verformungen des Rollkörpers (2, 3) ihrerseits periodisch verformt werden und dadurch elektrische Energie zu erzeugen bzw. ein elektrisches Signal abzugeben imstande sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollkörper und seine Unterlage Teil eines Rotationslagers ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Mantelwandung des Rollkörpers Bohrungen, vorzugs­ weise in radialer Richtung, angeordnet sind, in denen je ein elektromecha­ nischer Wandler (1) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der technische Rollkörper und dessen umfassende Unterlage von einem Rotationslager gebildet ist, welches Teil eines technischen Gerätes ist.