EP3027919A1 - Wälzlager für ein getriebe - Google Patents

Wälzlager für ein getriebe

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Publication number
EP3027919A1
EP3027919A1 EP14739084.3A EP14739084A EP3027919A1 EP 3027919 A1 EP3027919 A1 EP 3027919A1 EP 14739084 A EP14739084 A EP 14739084A EP 3027919 A1 EP3027919 A1 EP 3027919A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rolling
sensor
bearing
depth
rolling bearing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14739084.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Leimann
Kurt Engelen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Wind Power Antwerpen NV
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Wind Power Antwerpen NV
ZF Friedrichshafen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ZF Wind Power Antwerpen NV, ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Wind Power Antwerpen NV
Publication of EP3027919A1 publication Critical patent/EP3027919A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F16C41/007—Encoders, e.g. parts with a plurality of alternating magnetic poles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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    • F16C19/24—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for radial load mainly
    • F16C19/26—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for radial load mainly with a single row of rollers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/34—Rollers; Needles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/443—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed mounted in bearings
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    • F16C2300/10—Application independent of particular apparatuses related to size
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    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/31—Wind motors

Definitions

  • the present invention relates to a rolling bearing for a transmission according to the preamble of independent claim 1 and to a method for determining the speed, the rotational speed and / or the slip of at least one rolling body according to the preamble of independent claim 10.
  • Rolling bearings are used in particular to rotatably support shafts and often have an inner ring, an outer ring and a rolling element.
  • the inner ring is disposed within the outer ring and the rolling elements between the inner ring and the outer ring.
  • the rolling elements roll on the inner ring and the outer ring.
  • bearings such as rolling bearings
  • bearing damage can lead to a total failure of the transmission
  • An important part of the analysis of bearing damage is the slip measurement to determine slippage in the bearing.
  • a slip is hereinafter referred to a sliding movement of the rolling elements relative to the inner and / or outer ring of the bearing.
  • three types of slip are important here, namely cage slip, roller slip, and axial slip.
  • FIG. 1 shows the three types of slip.
  • FIG. 1 shows a bearing 1 with an inner ring 2, an outer ring 3 and rolling elements 4 between the inner ring 2 and the outer ring 3.
  • rolling element slip 5 Sliding motion of a rolling element 4 in the circumferential direction of the inner or outer ring is referred to as rolling element slip 5.
  • Axial slip 6 is understood as meaning a movement of a rolling element 4, in which the rolling element 4 moves along its axis of rotation.
  • Cage slip 7 is understood as a sliding of the inner ring and / or the outer ring on the rolling elements.
  • DE 102008 061 280 shows a method for detecting the rotational speed of a rolling element by means of measuring the magnetic field of one or more magnetized rolling elements. Also, optical methods, such as the use of a high-speed camera, are usually used in conjunction with an image derotation prism for detecting the rotational speed of the rolling element.
  • the object can be achieved by a rolling bearing for a transmission, in particular a transmission for a wind turbine.
  • the rolling bearing may include a bearing inner ring, a bearing outer ring and at least one rolling element.
  • the rolling bearing has a fixed relative to a transmission parts or a part of the rolling bearing sensor.
  • the rolling element has a depth deviation at least on one side surface.
  • the depth deviation is designed so that the side surface of the rolling body along a circular path about an axis of rotation of the rolling body has at least two different depths.
  • the sensor is positioned so that it can detect the depth deviation.
  • the inner ring or the outer ring need not be designed as a separate component, but also bearing inner rings or bearing outer rings are known, which are integrated in another component or part of the component.
  • the in- nenring be designed as part of a rotatably supported by the bearing shaft to be stored.
  • the bearing outer ring may be a housing part or a part of a gear, such as a planet.
  • the sensor may be fixed with respect to a gear part and / or fixed with respect to a bearing part. This facilitates the calculation of the slip from the signals of the sensor, in particular when the relative movement of the gear part or the bearing part relative to the bearing inner ring and / or the bearing outer ring is known.
  • the transmission or the bearing can be manufactured and mounted as a closed component.
  • the senor can be mounted so that it detects the depth deviation as a function of the position of the axis of rotation of the rolling body and in dependence on the angular position of the rolling body.
  • a sensor can be arranged so that it detects the depth deviation only when it is at a certain position.
  • the slip of the rolling body can be detected via a recurrent detection of the depth deviation on the rotating rolling body.
  • the sensor or a plurality of sensors may be arranged so that the depth deviations are detected at different positions. This makes it possible to track the trajectory of the depth deviation at least in sections, and thus to detect the speed, the position, the acceleration and / or the slippage of the rolling body.
  • a depth deviation is understood below to mean the deviation of the surface of the rolling element to a plane perpendicular to the axis of rotation of the rolling element, the plane including at least one point on the surface of the rolling element. If the rolling element has a depth deviation, this means that not the entire side surface of the rolling element lies on a plane perpendicular to the axis of rotation of the rolling element.
  • a side surface of the rolling body in particular a side is understood, which does not run on the inner ring and / or the outer ring. It can also be understood as one or more sides of the rolling element, which is perpendicular to the running surface of the rolling body. Under the tread is the surface of the rolling element understood, over which the rolling body rolls at least mainly on the inner or outer ring.
  • the arrangement of the depth deviation on the side surface of the rolling element prevents the depth deviation from coming into contact with the running surface of the inner and / or outer ring and thus changing the running properties of the rolling element. Also, it is possible by the arrangement of the depth deviation on the side surface of the rolling body to position the corresponding sensor only laterally, so that detection of the depth deviation can be avoided by the inner and / or outer ring.
  • At least one rolling element in particular a plurality of rolling elements, particularly preferably all rolling elements of the rolling bearing, have depth deviations.
  • the slippage of several rolling elements can be analyzed, making the investigation methods more accurate and comprehensive.
  • the at least one rolling element on several depth deviations.
  • the depth deviations are arranged at a uniform distance from each other on a circle about the axis of rotation of the rolling body.
  • rolling elements are possible in which the depth deviations are arranged at different intervals.
  • the orientation of the rolling element can be coded via the distance between the depth deviations.
  • the depth deviations are positioned at all rolling elements with such depth deviations in the same places.
  • the rolling elements with depth deviations thus do not differ from each other by the position of this depth deviation.
  • the signal detected by the sensor is independent of the rolling element. This facilitates the evaluation of the sensor signals and thus the analysis of the slip.
  • different rolling elements have different depth deviations.
  • the position of the depth deviations or the height difference between the side surface and the depth deviation between the variations in depth of a rolling element or between the variations in depth of different rolling elements can vary and so the position of the rolling elements or the rolling elements are coded on the depth deviations.
  • the shape of the depth deviation e.g. the cross section of the depth deviation vary.
  • At least one of the depth deviations can be formed by a recess.
  • a recess may have a circular cross-section.
  • other shapes such as triangular, quadrangular, polygonal, star-shaped or irregular cross-sections of the recesses are possible.
  • a plurality of the depth deviations in particular all deviations in depth, are formed on a rolling body as a recess.
  • all variations in depth of the rolling elements can be designed as recesses.
  • Recesses can be easily attached to side surfaces of rolling elements, for example by drilling, milling, etching and the like.
  • the rolling element can be manufactured in the intended shape, as cast, without the recess being added in a post-processing.
  • rolling elements can be guided in the part of the side surface, which has the recesses, by an inner ring and / or an outer ring without the recess scratching or destroying the inner ring and / or outer ring.
  • At least one, in particular several or even all deviations in depth can be formed by a material surplus.
  • Such excess material can be added to the rolling element by soldering and / or welding.
  • the surplus material can already be formed on the side surface of the rolling element during the production of the rolling element. The formation of the depth deviation in the form of an excess of material allows the depth deviation at the Side surface of the rolling element, without the rolling element is weakened by a material removal
  • the sensor may be attached to the inner ring of the rolling bearing, to the outer ring of the rolling bearing, to a cage of the rolling bearing, to a housing of the transmission or to a shaft of the transmission.
  • the sensor By attaching the sensor to the inner and / or outer ring of the sensor can be arranged in a simple manner fixed relative to the inner and / or outer ring. Also, so the slip of the rolling elements can be detected for several rolling elements, if several rolling elements have one or more suitable depth deviations, since the rolling elements move relative to the inner and / or outer ring usually and so several rolling elements offset by a fixed time the sensor attached to the inner and / or outer ring can be detected.
  • the slip of a rolling element By attaching the sensor to the rolling cage in particular the slip of a rolling element can be detected, since the axis of rotation of the rolling elements is fixed to the cage.
  • the slip of a single rolling element can be detected without having to take into account a relative movement of the axis of rotation to the sensor. This further facilitates the calculation of the WälzSystemschlupfes.
  • the senor can be attached to the transmission housing or a transmission shaft. Since the gear housing is fixed, it is particularly suitable for attachment of components, since no dynamic properties of the housing must be considered for the attachment.
  • the arrangement of the sensor on a shaft may be advantageous since such waves are positioned at least close to the bearing and thus to the rolling elements and in particular in wind power transmissions have masses which are large in relation to the sensor mass, so that the attachment of the sensor to a shaft represents no or only a slight influence on the dynamic properties of the shaft.
  • the senor can be a distance sensor, in particular an eddy current sensor, an inductive proximity sensor, a Hall sensor or a dental be wheel sensor.
  • Such sensors are suitable for detecting the deviations in depth that are arranged on a surface of a rolling body which is located in the detection range of the sensor. The measurement of the speed and the orientation of the rolling body on the basis of a depth deviation signal makes it possible to dispense with sensitive and / or disturbing measurements.
  • the one rolling element or a plurality of rolling elements or all rolling elements is spherical, conical or pendulum roller body or toroidal rolling elements.
  • Such rolling elements are particularly suitable to be used in a transmission for a wind turbine position.
  • the rolling element preferably has at least one running surface and at least one side surface with at least one depth deviation, so that the rolling element has at least two different depths along a circular line about the axis of rotation of the rolling element.
  • the object can also be achieved by a method for determining the speed, the rotational speed and / or the slip of at least one rolling element of a roller bearing, wherein at least one rolling element has different depths on a circular path about the axis of rotation and a sensor is arranged on a part of the roller bearing in that the depth deviation can be detected, the speed, the rotational speed and / or the slip being calculated from the sensor signal, in particular the time interval of the sensor signals, which are dependent on a passage of the depth deviation at the sensor.
  • Fig. 1 1 (a) the computational path of a mounted on the outer ring of the bearing
  • FIG. 11 (c) shows the time between different pulses with estimated parabolas.
  • FIG. 14 test results for a rolling element with a diameter of 58 mm and 20 depth deviations, FIG.
  • Fig. 15 test results for a rolling element with a diameter of 58 mm and 20 depth deviations and different Schlupfart.
  • connection / connected is not to be construed as limiting to direct connections unless otherwise indicated, so the statement that part A is connected to part B is not It also encompasses indirect contact between Part A and Part B, in other words, it also includes the case where there are intermediate parts between Part A and Part B. Not all embodiments of the invention embrace all features of the invention. In the following description and in the claims, any of the claimed embodiments may be used in any combination.
  • FIG. 2 illustrates schematically a shaft-bearing assembly 10.
  • the shaft bearing assembly 10 includes a shaft 1 1, which is supported by at least one bearing 12.
  • the shaft 1 1 can e.g. be a planetary shaft, a transmission shaft, a pinion shaft or a hollow shaft.
  • the shaft 1 1 may be a shaft in a wind power transmission.
  • the bearing 12, a detail of which is shown in Fig. 3, comprises an inner ring 13, an outer ring 14 and rolling elements 15 between the inner ring 13 and the outer ring 14.
  • the outer ring 14 of the bearing 12 may be incorporated into a part of the transmission, e.g. be integrated in a planetary gear of the transmission.
  • the bearing 12 may be a roller bearing with cylindrical rolling elements 15, conical rolling elements 15, spherical roller bodies 15 or toroidal rolling elements 15.
  • the bearing 12 may be a radial bearing or a thrust bearing.
  • At least one of the rolling elements 15 of the bearing 12 has at least one depth deviation 1 6.
  • one of the rolling elements 15 comprises a plurality of depth deviations 16, which are circumferentially spaced from one another on the rolling element 15.
  • the rolling elements 15 have two side surfaces 17 and a rolling surface 18, wherein the depth deviations 1 6 are arranged at least on one of the side surfaces 17 of the rolling body 15.
  • the depth deviations 1 6 may be on a side surface 17 of the rolling element 15, on both side surfaces 17 of the rolling element 15 and / or on the rolling surface 18 of the rolling element 15.
  • a plurality of rolling elements 15 may include depth deviations 16, in particular two depth deviations.
  • a plurality of rolling elements 15 may be provided with depth deviations 1 6, and the number of existing on the plurality of rolling elements 15 depth deviations 1 6 may be the same or different at least one rolling element 15 at each rolling element 15.
  • any number of depth deviations 1 6, on at least one side surface 17 of the rolling body 15 are attached.
  • the depth deviations can be a suitable Have shape. Some examples are illustrated in FIG. These examples are for illustration only and not as a limitation of the invention.
  • the depth deviations 1 6 z. B. inter alia, have an oval shape, circular shape or a substantially trapezoidal shape.
  • z. B. two, four or eighteen depth deviations 1 6 may be present. Also other different ones are an odd number of depth deviations 1 6 is possible. Even if in the given example, the depth deviations 1 6 on the rolling elements 15 circumferentially equidistant, the; Distances between adjacent depth deviations 1 6 be different sizes.
  • the depth deviations 16 may be formed by locally adding material to the rolling element 15 (see FIG. 5 (a)), or in other words by locally attaching projections on the at least one rolling element 15. Also, the depth deviations 16 may be formed by locally removing material from the reel body 15 (see FIG. 5 (b)), or in other words, locally forming grooves in the at least one reel body 15. The format of the depth deviations 16 may depend on the type of sensor used.
  • the shaft bearing assembly 10 further includes at least one sensor 19 for generating a signal when the depth deviations 16 pass it. The sensor 19 is connected to a part of the transmission, the component of which forms the shaft-bearing assembly 10, or fixed to a part of the rolling bearing 12.
  • the sensor 19 has a scanning direction bounded by a cone whose half angle at the top is 40 °, and a center line CL of the cone is perpendicular to a plane having a tolerance of + 40 ° and -40, respectively ° is formed by the side surface 17, which includes the depth deviations 16 (see FIG. 6).
  • the sensor 19 has a scanning direction which is perpendicular to a plane formed by the side surface 17 including the depth deviations 16 with a tolerance of + 40 ° and -40 °, respectively.
  • the center line CL of the cone is substantially perpendicular to the plane formed by the side surface 17, which includes the depth deviations 16.
  • the senor 19 may be connected by means of a connecting part 20 fixed to a part of the rolling bearing 12.
  • the sensor 19 may be fixedly connected to an inner ring 13 of the rolling bearing 12 or a cage of the rolling bearing 12 (not shown in the figures) in a similar manner.
  • the senor 19 may be fixedly connected to a part of the transmission.
  • the sensor 19 by means of connecting part 20 fixed to the gear housing 21 (see Fig. 8) or in a similar manner fixed to a shaft 1 1 of the transmission (not shown in the figures).
  • the connecting part 20 between the gear part and the sensor 19 may be formed by a separate connecting part 20, as shown in Fig. 8, or by a connecting part 20, which is formed with the gear part to which the sensor 19, in one piece is (not shown in the figures).
  • the shaft 1 1 may be a planetary shaft 1 1, and the bearing 12 may serve for the storage of planetary gears 22 on the planet shaft 1 1, or in other words be a planetary gear 12.
  • the outer ring 14 of the bearing 12 can be installed in the planetary gear 22 and the sensor 19 can be fixedly connected to the inner ring 13 of the bearing 12 via the connecting part 20. This is illustrated in FIGS. 9 and 10. The difference between the two figures is the location of the sensor 19. In principle, the sensor 19 may be positioned in any position to the reel body 15, but the farther the sensor 19 is from the (indicated by dashed line) center line of the reel body 15, the better will be the sensor signal.
  • the sensor 19 may be any known to a person skilled in the sensor, which is suitable for detecting depth deviations 1 6.
  • the sensor 19 may include a distance sensor, such as e.g. be an eddy current sensor, or it may be a pulse generator such as e.g. be an inductive proximity switch sensor, a Hall sensor or a gear sensor. These sensors have the advantage that they can detect the presence of near ferrous objects without body contact.
  • the sensor 19 can detect the speed of the rolling body 15, regardless of which of the bearing rings 13, 14 rotates.
  • the sensor 19 By appropriate positioning and specific choice of the sensor 19, one can measure three types of slip in one step or with the same sensor signal. lent roll body slip, cage slippage and axial slip. If, for example, the sensor 19 is fastened to the inner ring 13 or outer ring 14 of the bearing 12, the rotational speed can be determined in the moment in which the sensor passes by the rolling element 15. An advantage of this sensor positioning is that the rotational speed of the cage of the bearing 12 can be determined; As a result, the cage slip can also be calculated from the sensor signal. For example, if an eddy current sensor 19 is used, which can measure the axial displacement of the roller body 15, three slip types can be determined from only one sensor signal, namely roller body slip, cage slip and axial slip.
  • the present invention also provides for the use of a bearing described above according to various embodiments in order to determine the speed of at least one rolling element 15 in the bearing 12 or to determine the slippage in the bearing 12.
  • Fig. 1 1 shows an example Matlab simulations for bearings 12 with rotating inner ring 13 and fixed Au OHring 14, wherein the sensor 19 is mounted on the Au touchring 14.
  • the invention also applies to bearings 12 in which the inner ring 13 is fixed and the outer ring 14 rotates.
  • the rolling element 15, for which the measurements are simulated has 20 depth deviations 1 6, which are arranged circumferentially spaced on the rolling elements 15 from each other.
  • Fig. 11 (a) shows the computational path of the sensor 19 in the coordinate system of the reel body 15 for different degrees of slip. The bold black line in the figure signals the path taken by the sensor 19. From left to right, simulations for slip of 0%, 33%, 67% and 100% are shown.
  • a slip of 0% is understood to mean that the path traveled by the rolling element relative to the inner ring has no portion which is covered by sliding movement.
  • the proportion of the path traveled by a sliding movement in relation to the total travel of the rolling element relative to the inner ring is 0.1.
  • the degree of slip can be determined by counting the number of pulses each time the reel body 15 passes the depth deviations 16 at the sensor 19.
  • the measurement resolution can be increased by not only counting the number of pulses in the sensor signal, but also taking into account the length of time between the pulses.
  • the shape of the vector time lengths is a parabola (see Fig. 11 (c)).
  • the estimated characteristics of this parabola are used to estimate the degree of hatching.
  • Fig. 12 shows results from simulations for a rolling element 15 as described above with reference to Fig. 11, with random initial angle of the rolling element 15 at the moment of passing the reel body 15 on the sensor 19.
  • the left diagram shows the number of pulses that occur at each pass of the sensor 19 on the rolling elements 15 were counted.
  • the simulations were checked experimentally. To validate the simulations, an experimental setup was set up. A roller body 15 with a diameter of 58 mm was provided with 20 depth deviations 16, which were circumferentially spacedly mounted on the reel body 15, and driven by an electric motor to represent the reel body speed. In the experiment, a gearwheel sensor attached to a pendulum was used. The rotary The speed of the pendulum was measured with an incremental encoder and represents the cage speed of the bearing.

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Abstract

Wälzlager für ein Getriebe, wobei das Wälzlager einen Lagerinnenring (13), einen Lageraußenring (14) und zumindest einen Wälzkörper (15) umfasst, wobei das Wälzlager einen Sensor (19) aufweist, welcher fest bezüglich einem Getriebeteile oder eines Teils des Wälzlagers angeordnet ist und der Wälzkörper an zumindest einer Seitenfläche (17) eine Tiefenabweichung (16) umfasst, wobei die Tiefenabweichung so ausgebildet ist, dass die Seitenfläche des Wälzkörpers entlang einer Kreisbahn um eine Rotationsachse des Wälzkörpers zumindest zwei unterschiedliche Tiefen aufweist und der Sensor zur Erfassung der Tiefenabweichung positioniert ist.

Description

Wälzlager für ein Getriebe
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Wälzlager für ein Getriebe nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 und mit einem Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit, der Rotationsgeschwindigkeit und/oder des Schlupfs mindestens eines Wälzkörper nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 10.
Allgemeiner Stand der Technik
Wälzlager werden insbesondere verwendet, um Wellen rotierbar zu lagern und weisen oftmals einen Innenring, einen Außenring und einen Wälzkörper auf. Dabei ist der Innenring innerhalb des Außenrings und die Wälzkörper zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet. Die Wälzkörper rollen auf dem Innenring und dem Außenring ab.
Da Lager, wie Wälzlager, wichtige Bestandteile von Getrieben, zum Beispiel von Getrieben für eine Windkraftanlage, sind und Lagerschäden zu einem Totalversagen des Getriebes führen können, ist es notwendig, Lagerschäden genau analysieren zu können. Ein wichtiger Bestandteil der Analyse von Lagerschäden ist die Schlupfmessung zur Bestimmung von Schlupferscheinungen im Lager. Als Schlupf wird im Weiteren eine Gleitbewegung der Wälzkörpern relativ zu dem Innen- und/oder dem Außenring des Lagers bezeichnet. Im Allgemeinen sind hier drei Arten von Schlupf von Bedeutung, nämlich Käfigschlupf, Wälzkörperschlupf und Axialschlupf.
In Figur 1 sind die drei Schlupfarten dargestellt. Dabei zeigt Fig. 1 ein Lager 1 mit einem Innenring 2, einem Außenring 3 und Wälzkörper 4 zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3.
Als Wälzkörperschlupf 5 wird dabei Gleitbewegung eines Wälzkörpers 4 in Umfangs- richtung des Innen- oder Außenrings bezeichnet.
Eine solche Gleitbewegung des Wälzkörpers 4 kann mit Gleitbewegungen in anderen Richtungen oder Rotationsbewegungen kombiniert sein. Unter Axialschlupf 6 wird eine Bewegung eines Wälzkörpers 4 verstanden, bei der sich der Wälzkörper 4 entlang seiner Rotationsachse bewegt.
Unter Käfigschlupf 7 wird ein Gleiten des Innenrings und/oder des Außenrings auf den Wälzkörpern verstanden.
Verfahren zur Bestimmung des Wälzkörperschlups sind bereits bekannt.
DE 102008 061 280 zeigt ein Verfahren zur Erfassung der Drehgeschwindigkeit eines Wälzkörpers mittels Messung des Magnetfeldes einer oder mehrerer magnetisierter Wälzkörper. Auch werden optische Verfahren, etwa die Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera, meist in Verbindung mit einem Bild-Derotationprisma zur Erfassung der Drehgeschwindigkeit des Wälzkörpers verwendet.
Die oben beschriebenen Verfahren sind jedoch für die Verwendung in Windkraftanlagen eventuell nur begrenzt oder gar nicht geeignet. Bei der Anwendung optischer Verfahren können vorhandene Schmieröle oder Fette, welche zu Schmierung drehender Teile benötigt werden, die Sichtbarkeit der Wälzkörper beeinträchtigen. Außerdem ist die Realisierung einer Kamera in einem Windkraftgetriebe oft schon allein wegen des Platzbedarfs nachteilig.
Bei der Verwendung magnetisierter Wälzkörper besteht die Gefahr, dass durch diese Metallpartikel angezogen werden und dies zu einem vorzeitigen Lagerschaden führt. Ferner sind die durch magnetische Verfahren erzielte Ergebnisse häufig unzuverlässig, weil Windkraftgetriebe teilweise aus magnetischen Werkstoffen bestehen, welche die Magnetfeldmessungen beeinträchtigen. Außerdem werden die Messungen oft von in Windkraftgetrieben vorhandenen elektrischen Irrströmen gestört. Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und/oder ein Verfahren bereitzustellen, welches geeignet ist, den Schlupf von zumindest einem Teil eines Wälzlagers zu bestimmen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Wälzlager nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
Zusammenfassung der Erfindung
Insbesondere kann die Aufgabe durch ein Wälzlager für ein Getriebe, insbesondere ein Getriebe für eine Windkraftanlage, gelöst werden. Das Wälzlager kann dabei einen Lagerinnenring, einen Lageraußenring und zumindest einen Wälzkörper umfassen.
Das Wälzlager weist einen bezüglich einem Getriebeteile oder einem Teil des Wälzlagers fest angeordneten Sensor auf. Der Wälzkörper hat zumindest an einer Seitenfläche eine Tiefenabweichung. Die Tiefenabweichung ist dabei so ausgebildet, dass die Seitenfläche des Wälzkörpers entlang einer Kreisbahn um eine Rotationsachse des Wälzkörpers zumindest zwei unterschiedliche Tiefen aufweist. Der Sensor ist so positioniert, dass der die Tiefenabweichung erfassen kann.
Es wurde also erkannt, dass eine Geschwindigkeits-, Positions-, oder Schlupfmessung mittels der Tiefenabweichungen auf den Wälzkörpern und einem diese Tiefenabweichungen erkennenden Sensors vorgenommen werden kann. Diese Messung kann dabei auf die Verwendung empfindlicher optischer Methoden oder eines Magnetfeldes verzichten und so eine zuverlässige Messung bereitstellen.
Der Innenring oder der Außenring muss nicht als eigenes Bauteil ausgestaltet sein, vielmehr sind auch Lagerinnenringe oder Lageraußenringe bekannt, welche in einem weiteren Bauteil integriert sind oder Bestandteil des Bauteils sind. So kann der In- nenring als Teil einer durch das Lager rotierbar zu lagernden Welle ausgestaltet sein. Auch kann der Lageraußenring ein Gehäuseteil oder ein Teil eines Zahnrades, wie eines Planeten, sein.
Der Sensor kann fest bezüglich eines Getriebeteils und/oder fest bezüglich eines Lagerteils angeordnet sein. Dadurch erleichtert sich die Berechnung des Schlupfs aus den Signalen des Sensors, insbesondere wenn die Relativbewegung des Getriebeteils oder der Lagerteils gegenüber dem Lagerinnenring und/oder dem Lageraußenring bekannt ist. Außerdem kann bei einer Anordnung des Sensors fest relativ zu einem Getriebe- und/ oder Lagerbauteil das Getriebe oder das Lager als ein abgeschlossenes Bauteil gefertigt und montiert werden.
Insbesondere kann der Sensor so angebracht sein, dass er die Tiefenabweichung in Abhängigkeit von der Position der Rotationsachse des Wälzkörpers und in Abhängigkeit von der Winkelposition des Wälzkörpers erfasst.
So kann ein Sensor so angeordnet sein, dass er die Tiefenabweichung nur erkennt, wenn sich diese an einer bestimmten Position befindet. So kann über eine wiederkehrenden Erkennung der Tiefenabweichung auf den umlaufenden Wälzkörpers der Schlupf des Wälzkörpers erfasst werden. Auch kann der Sensor oder eine Vielzahl an Sensoren so angeordnet sein, dass die Tiefenabweichungen an verschiedenen Positionen erkannt werden. Dies ermöglicht es die Bewegungsbahn der Tiefenabweichung zumindest abschnittsweise nachzuverfolgen und so die Geschwindigkeit, die Position, die Beschleunigung und/oder den Schlupf des Wälzkörpers zu erfassen.
Unter einer Tiefenabweichung wird im Weiteren die Abweichung der Oberfläche des Wälzkörpers zu einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Wälzkörpers verstanden, wobei die Ebene zumindest einen Punkt auf der Oberfläche des Wälzkörpers beinhaltet. Wenn der Wälzkörper eine Tiefenabweichung aufweist, so bedeutet dies, dass nicht die gesamte Seitenfläche des Wälzkörpers auf einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Wälzkörpers liegt. Als Seitenfläche des Wälzkörpers wird insbesondere eine Seite verstanden, welche nicht auf dem Innenring und/oder dem Außenring läuft. Auch kann darunter eine oder mehrere Seiten des Wälzkörpers verstanden werden, welche senkrecht zur Lauffläche des Wälzkörpers steht. Unter der Lauffläche wird die Fläche des Wälzkörpers verstanden, über welche der Wälzkörper zumindest hauptsächlich auf dem Innenoder Außenring abrollt. Durch die Anordnung der Tiefenabweichung auf der Seitenfläche des Wälzkörpers wird verhindert, dass die Tiefenabweichung mit der Lauffläche des Innen-und/oder Außenrings in Berührung kommt und so die Laufeigenschaften des Wälzkörpers verändert. Auch ist es durch die Anordnung der Tiefenabweichung auf der Seitenfläche des Wälzkörpers möglich den entsprechenden Sensor nur seitlich zu positionieren, so dass eine Erfassung der Tiefenabweichung durch den Innen-und/oder Außenring hindurch umgangen werden kann.
Bevorzugt weist zumindest ein Wälzkörper, insbesondere eine Mehrzahl an Wälzkörpern, besonders bevorzugt alle Wälzkörper des Wälzlagers Tiefenabweichungen auf. So kann zum Beispiel der Schlupf von mehreren Wälzkörper analysiert werden, wodurch die Untersuchungsmethoden genauer und umfassender sind.
Bevorzugt weist der zumindest eine Wälzkörper mehrere Tiefenabweichungen auf. Bevorzugt sind die Tiefenabweichungen in einem gleichmäßigen Abstand zueinander auf einem Kreis um die Rotationsachse des Wälzkörpers angeordnet. Aber es sind auch Wälzkörper möglich, bei denen die Tiefenabweichungen in unterschiedlichen Abständen angeordnet sind. So kann die Ausrichtung des Wälzkörpers über den Abstand zwischen den Tiefenabweichungen codiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform, sind die Tiefenabweichungen bei allen Wälzkörpern mit solchen Tiefenabweichungen an denselben Stellen positioniert. Die Wälzkörper mit Tiefenabweichungen unterscheiden sich untereinander also nicht durch die Position dieser Tiefenabweichung. Somit ist das Signal, welches der Sensor erfasst, unabhängig vom Wälzkörper. Dies erleichtert die Auswertung der Sensorsignale und somit die Analyse des Schlupfs. Es ist jedoch auch möglich, dass verschiedene Wälzkörper verschiedenartige Tiefenabweichungen aufweisen. So kann die Position der Tiefenabweichungen oder der Höhenunterschied zwischen der Seitenfläche und der Tiefenabweichung zwischen den Tiefenabweichungen eines Wälzkörpers oder zwischen den Tiefenabweichungen verschiedener Wälzkörper variieren und so die Position des Wälzkörpers oder der Wälzkörper über die Tiefenabweichungen codiert werden.
Auch kann die Form der Tiefenabweichung, wie z.B. der Querschnitt der Tiefenabweichung variieren.
Zumindest eine der Tiefenabweichungen kann durch eine Ausnehmung gebildet sein. Eine solche Ausnehmung kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es sind jedoch auch andere Formen, wie dreieckige, viereckige, mehreckige, sternförmige oder unregelmäßige Querschnitte der Ausnehmungen möglich. Bevorzugt sind mehrere der Tiefenabweichungen, insbesondere alle Tiefenabweichungen auf einem Wälzkörper als Ausnehmung ausgebildet. Insbesondere können alle Tiefenabweichungen der Wälzkörper als Ausnehmungen ausgeführt sein.
Ausnehmungen können einfach an Seitenflächen von Wälzkörpern, zum Beispiel durch Bohren, Fräsen, Ätzen und dergleichen, angebracht werden. Auch kann der Wälzkörper in der vorgesehenen Form gefertigt, wie gegossen, werden, ohne dass die Ausnehmung in einer Nachbearbeitung hinzugefügt wird. Auch können Wälzkörper in dem Teil der Seitenfläche, welche die Ausnehmungen aufweist, durch ein Innenring und/oder einen Außenring geführt werden, ohne dass die Ausnehmung den Innenring und oder Außenring zerkratzt oder zerstört.
Zumindest eine, insbesondere auch mehrere oder auch alle Tiefenabweichungen können durch einen Materialüberschuss gebildet sein. Ein solcher Materialüber- schuss kann durch Löten und/oder Schweißen zu dem Wälzkörper hinzugefügt werden. Auch kann der Materialüberschuss schon bei der Produktion des Wälzkörpers an der Seitenfläche des Wälzkörpers ausgebildet sein. Die Ausbildung der Tiefenabweichung in Form eines Materialüberschusses erlaubt die Tiefenabweichung an der Seitenfläche des Wälzkörpers, ohne dass der Wälzkörper durch eine Materialentnahme geschwächt wird
Der Sensor kann am Innenring des Wälzlagers, am Außenring des Wälzlagers, an einem Käfig des Wälzlagers, an einem Gehäuse des Getriebes oder an einer Welle des Getriebes befestigt sein.
Durch die Befestigung des Sensors am Innen- und/oder am Außenring kann der Sensor in einfacher Weise fest relativ zu dem Innen- und/oder Außenring angeordnet werden. Auch kann so der Schlupf der Wälzkörper für mehrere Wälzkörper erfasst werden, wenn mehrere Wälzkörper eine oder mehrere geeignete Tiefenabweichungen aufweisen, da die Wälzkörper sich in der Regel relativ zu dem Innen- und/oder Außenring bewegen und so mehrere Wälzkörper zeitlich versetzt durch einen fest zu dem Innen- und/oder Außenring befestigten Sensor erfassbar sind.
Durch die Befestigung des Sensors an dem Wälzkäfig kann insbesondere der Schlupf eines Wälzkörpers erfasst werden, da die Rotationsachse der Wälzkörper fest zum Käfig angeordnet ist. So lässt sich der Schlupf eines einzigen Wälzkörpers erfassen, ohne dass eine Relativbewegung der Rotationsachse zu dem Sensor berücksichtigt werden muss. Dies erleichtert die Berechnung des Wälzkörperschlupfes weiter.
Auch kann der Sensor an dem Getriebegehäuse oder einer Getriebewelle befestigt werden. Da das Getriebegehäuse fest steht, eignet es sich insbesondere zur Befestigung von Komponenten, da für die Befestigung keine dynamischen Eigenschaften des Gehäuses berücksichtigt werden müssen. Auch die Anordnung des Sensors an einer Welle kann vorteilhaft sein, da solche Wellen zumindest nah am Lager und somit an den Wälzkörpern positioniert sind und insbesondere bei Windkraftgetrieben Massen aufweisen, welche groß sind in Relation zur Sensormasse, so dass die Befestigung des Sensors an einer Welle keine oder nur eine geringfügige Beeinflussung der dynamischen Eigenschaften der Welle darstellt.
Insbesondere kann der Sensor ein Abstandssensor, insbesondere ein Wirbelstromsensor, ein induktiver Näherungs-Sensor, ein Hall-Sensor oder ein Zahn- radsensor sein. Solche Sensoren sind geeignet, die Tiefenabweichungen zu erfassen, die auf einer Oberfläche eines Wälzkörpers, der sich im Erfassungsbereich des Sensors befindet, angeordnet sind. Die Messung der Geschwindigkeit und der Ausrichtung des Wälzkörpers anhand eines Tiefenabweichungssignals erlaubt es, auf empfindliche und/oder störende Messungen zu verzichten.
Bevorzugt ist der eine Wälzkörper oder eine Mehrzahl der Wälzkörper oder alle Wälzkörper kugelförmig, konisch oder sind Pendelrollenkörper oder Toroidal- Wälzkörper. Solche Wälzkörper sind insbesondere geeignet, in einen Getriebe für eine Windkraftanlagenlage verwendet zu werden.
Bevorzugt hat der Wälzkörper zumindest eine Lauffläche und zumindest eine Seitenfläche mit zumindest einer Tiefenabweichung, so dass der Wälzkörper entlang einer Kreislinie um die Rotationsachse des Wälzkörpers zumindest zwei unterschiedliche Tiefen aufweist.
Auch kann die Aufgabe durch ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit, der Rotationsgeschwindigkeit und/oder des Schlupfes mindestens eines Wälzkörpers eines Wälzlagers gelöst werden, wobei zumindest ein Wälzkörper auf einer Kreisbahn um die Rotationsachse unterschiedliche Tiefen aufweist und ein Sensor an einem Teil des Wälzlagers so angeordnet ist, dass die Tiefenabweichung erfasst werden kann, wobei aus dem Sensorsignal, insbesondere dem zeitlichen Abstand der Sensorsignale, welche abhängig sind von einem Vorbeibewegen der Tiefenabweichung an dem Sensor, die Geschwindigkeit, die Rotationsgeschwindigkeit und/oder der Schlupf berechnet wird.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 verschiedene Schlupfarten,
Fig. 2 eine Wälzlageranordnung,
Fig. 3 einen Teil eines Wälzlagers,
Fig. 4 verschiedene Tiefenabweichungen, Fig. 5 verschiedene Tiefenabweichungen, die auf einer Seitenfläche der Wälzkörper eines Lagers angebracht sind,
Fig. 6 die Lage des Sensors,
Fig. 7 bis 10 Teile eines Wälzlagers und die Position des Sensors,
Fig. 1 1 (a) die rechnerische Bahn eines am Außenring des Wälzlagers befestigten
Sensors für verschiedene Schlupfgrade,
Fig. 1 1 (b) das resultierende Sensorsignal im Zeitverlauf
Fig. 1 1 (c) die Zeitdauer zwischen verschiedenen Impulsen mit geschätzten Parabeln,
Fig. 12 Monte Carlo Simulation für ein Wälzkörper mit 20 Tiefenabweichungen und verschiedenen Schlupfgraden,
Fig. 13 Monte Carlo Simulation für einen Wälzkörper mit 20 Tiefenabweichungen, Fig. 14 Versuchsergebnisse für ein Wälzkörper mit Durchmesser 58 mm sowie 20 Tiefenabweichungen,
Fig. 15 Versuchsergebnisse für ein Wälzkörper mit Durchmesser 58 mm sowie 20 Tiefenabweichungen und verschiedenen Schlupfarten.
Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
Der Begriff „umfasst / umfassen" ist nicht als irgendwie geartete Einschränkung der Erfindung auszulegen. Der in den Ansprüchen verwendete Begriff „umfasst / umfassen" soll nicht auf die Art des danach beschriebenen Mittels beschränkt sein; er schließt andere Elemente, Teile oder Schritte nicht aus.
So wie der Begriff „verbunden/angeschlossen" in den Ansprüchen und in der Beschreibung verwendet wird, darf er nicht als Beschränkung auf direkte Verbindungen ausgelegt werden, sofern nichts Gegenteiliges angegeben ist. Folglich ist die Aussage, Teil A sei mit Teil B verbunden, nicht auf direkten Kontakt von Teil A mit Teil B beschränkt, sondern sie umfasst auch indirekten Kontakt zwischen Teil A und Teil B; mit anderen Worten, sie umfasst auch den Fall, in dem zwischen Teil A und Teil B Zwischenteile vorhanden sind. Nicht alle Ausführungsformen der Erfindung umfassen alle Merkmale der Erfindung. In der folgenden Beschreibung und in den Ansprüchen können jegliche der beanspruchten Ausführungsformen in beliebiger Kombination verwendet werden.
Figur 2 veranschaulicht schematisch eine Wellen-Lager-Anordnung 10. Die Wellen- Lager-Anordnung 10 umfasst eine Welle 1 1 , die durch mindestens ein Lager 12 gelagert ist. Die Welle 1 1 kann z.B. eine Planetenwelle, eine Getriebewelle, eine Ritzelwelle oder eine Hohlwelle sein. Insbesondere kann die Welle 1 1 eine Welle in einem Windkraft-Getriebe sein. Das Lager 12, von dem ein Detail in Fig. 3 abgebildet ist, umfasst einen Innenring 13, einen Außenring 14 sowie Wälzkörper 15 zwischen Innenring 13 und Außenring 14. Insbesondere kann der Außenring 14 des Lagers 12 in einen Teil des Getriebes, wie z.B. in ein Planetenrad des Getriebes integriert sein. Das Lager 12 kann ein Rollenlager mit zylindrischen Wälzkörpern 15, konischen Wälzkörpern 15, Pendelrollenkörpern 15 oder Toroidal-Wälzkörpern 15 sein. Das Lager 12 kann ein Radiallager oder ein Axiallager sein.
In einer Ausführungsform besitzt mindestens einer der Wälzkörper 15 des Lagers 12 zumindest eine Tiefenabweichung 1 6. Im genannten Beispiel umfasst einer der Wälzkörper 15 mehrere Tiefenabweichungen 1 6, die umlaufend auf dem Wälzkörper 15 beabstandet voneinander angeordnet sind. Die Wälzkörper 15 besitzen zwei Seitenflächen 17 und eine Rollfläche 18, wobei die Tiefenabweichungen 1 6 mindestens auf einer der Seitenflächen 17 des Wälzkörpers 15 angeordnet sind. Die Tiefenabweichungen 1 6 können auf einer Seitenfläche 17 des Wälzkörpers 15, auf beiden Seitenflächen 17 des Wälzkörpers 15 und/oder auf der Rollfläche 18 des Wälzkörpers 15 sein.
Insbesondere können mehrere Wälzkörper 15 Tiefenabweichungen 1 6, insbesondere zwei Tiefenabweichungen, umfassen. Nach anderen Ausführungsformen können mehrere Wälzkörper 15 mit Tiefenabweichungen 1 6 versehen sein, und die Anzahl der auf der Vielzahl von Wälzkörpern 15 vorhandenen Tiefenabweichungen 1 6 kann bei jedem Wälzkörper 15 gleich oder bei mindestens einem Wälzkörper 15 verschieden sein. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann eine beliebige Zahl von Tiefenabweichungen 1 6, auf mindestens einer Seitenfläche 17 des Wälzkörpers 15 angebracht werden. Des Weiteren können die Tiefenabweichungen eine geeignete Form aufweisen. Einige Beispiele sind in Fig. 4 veranschaulicht. Diese Beispiele dienen nur der Veranschaulichung und nicht als Beschränkung der Erfindung. Die Tiefenabweichungen 1 6 können z. B., unter anderem, eine ovale Form, Kreisform oder eine im Wesentlichen trapezartige Form haben.
Gemäß Fig. 4 können z. B. zwei, vier oder achtzehn Tiefenabweichungen 1 6 vorhanden sein. Auch sind andere verschiedene eine ungerade Zahl an Tiefenabweichungen 1 6 ist möglich. Auch wenn im gegebenen Beispiel die Tiefenabweichungen 1 6 auf dem Wälzkörper 15 umlaufend abstandsgleich sind, können die; Abstände zwischen benachbarten Tiefenabweichungen 1 6 verschieden groß sein.
Die Tiefenabweichungen 16 können gebildet werden, indem dem Wälzkörper 15 lokal Werkstoff hinzugefügt wird (siehe Fig. 5 (a)), oder in anderen Worten, indem lokal Vorsprünge auf dem mindestens einen Wälzkörper 15 angebracht werden. Auch können die Tiefenabweichungen 1 6 dadurch gebildet werden, dass lokal Werkstoff vom Rollenkörper 15 entfernt wird (siehe Fig. 5 (b)), oder in anderen Worten, dass lokal Rillen in dem mindestens einen Rollenkörper 15 gebildet werden. Das Format der Tiefenabweichungen 16 kann von der Art des verwendeten Sensors abhängen. Die Wellen-Lager-Anordnung 10 umfasst ferner mindestens einen Sensor 19 zur Erzeugung eines Signals, wenn die Tiefenabweichungen 16 daran vorbeilaufen. Der Sensor 19 ist mit einem Teil des Getriebes, dessen Bestandteil die Wellen-Lager- Anordnung 10 bildet, oder mit einem Teil des Wälzlagers 12 fest verbunden. Der Sensor 19 hat eine Nenn- bzw. Abtastrichtung, die durch einen Kegel begrenzt wird, dessen halber Winkel oben 40° beträgt, und eine Mittellinie CL des Kegels steht senkrecht zu einer Ebene, die mit einer Toleranz von +40° bzw. -40° von der Seitenfläche 17 gebildet wird, welche die Tiefenabweichungen 1 6 umfasst (siehe Fig. 6). Mit anderen Worten, der Sensor 19 hat eine Nenn- bzw. Abtastrichtung, die mit einer Toleranz von +40° bzw. -40° senkrecht zu einer Ebene steht, die von der Seitenfläche 17 gebildet wird, welche die Tiefenabweichungen 1 6 umfasst. Die Mittellinie CL des Kegels im Wesentlichen senkrecht zur Ebene stehen, die von der Seitenfläche 17 gebildet wird, welche die Tiefenabweichungen 1 6 umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Sensor 19 mittels eines Verbindungsteils 20 fest mit einem Teil des Wälzlagers 12 verbunden sein. Der Sensor 19 kann z.B. mit Hilfe des Verbindungsteils 20 fest mit dem Außenring 14 des Wälzlagers 12 verbunden sein. Dies ist in Fig. 7 veranschaulicht. Auch kann der Sensor 19 auf ähnliche Weise mit einem Innenring 13 des Wälzlagers 12 oder einem Käfig des Wälzlagers 12 (in den Figuren nicht gezeigt) fest verbunden sein.
Nach weiteren Ausführungsformen kann der Sensor 19 fest mit einem Teil des Getriebes verbunden sein. Beispielsweise kann der Sensor 19 mittels Verbindungsteil 20 fest mit dem Getriebegehäuse 21 (siehe Fig. 8) oder auf ähnliche Weise fest mit einer Welle 1 1 des Getriebes (nicht in den Figuren abgebildet). Das Verbindungsteil 20 zwischen dem Getriebeteil und dem Sensor 19 kann durch ein separates Verbindungsteil 20 gebildet werden, wie es in Fig. 8 gezeigt, oder durch ein Verbindungsteil 20, das mit dem Getriebeteil, mit dem der Sensor 19 verbunden ist, aus einem Stück gebildet wird (nicht in den Figuren abgebildet).
Nach einer Ausführungsform kann die Welle 1 1 eine Planetenwelle 1 1 sein, und das Lager 12 kann zur Lagerung von Planetenrädern 22 auf der Planetenwelle 1 1 dienen, oder mit anderen Worten ein Planetenradlager 12 sein. Diesem speziellen Beispiel entsprechend kann der Außenring 14 des Lagers 12 in das Planetenrad 22 eingebaut sein und der Sensor 19 über das Verbindungsteil 20 fest mit dem Innenring 13 des Lagers 12 verbunden sein. Dies ist in Fig. 9 und Fig. 10 veranschaulicht. Der Unterschied zwischen den beiden Figuren ist die Lage des Sensors 19. Prinzipiell kann der Sensor 19 in beliebiger Lage zum Rollenkörper 15 positioniert sein, aber je weiter der Sensor 19 von der (durch gestrichelte Linie angedeuteten) Mittellinie des Rollenkörpers 15 entfernt ist, desto besser wird das Sensorsignal sein.
Der Sensor 19 kann ein beliebiger, einem Fachmann bekannter Sensor sein, der zum Erkennen von Tiefenabweichungen 1 6 geeignet ist. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann der Sensor 19 ein Abstandssensor wie z.B. ein Wirbelstromsensor sein, oder er kann ein Impulsgeber wie z.B. ein induktiver Näherungsschalter-Sensor, ein Hall-Sensor oder ein Zahnradsensor sein. Diese Sensoren haben den Vorteil, dass sie das Vorhandensein naher eisenhaltiger Objekte ohne Körperkontakt erkennen können.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Sensor 19 die Geschwindigkeit des Wälzkörpers 15 erfassen, unabhängig davon, welcher der Lagerringe 13, 14 sich dreht.
Durch zweckmäßige Positionierung und gezielte Wahl des Sensors 19 kann man in einem Schritt bzw. mit demselben Sensorsignal drei Arten von Schlupf messen, näm- lieh Rollenkörperschlupf, Käfigschlupf und Axialschlupf. Wird z.B. der Sensor 19 am Innenring 13 oder Außenring 14 des Lagers 12 befestigt, kann die Drehgeschwindigkeit in dem Moment ermittelt werden, in dem der Sensor am Wälzkörper 15 vorbeiläuft. Ein Vorteil dieser Sensorpositionierung besteht darin, dass auch die Drehgeschwindigkeit des Käfigs des Lagers 12 ermittelt werden kann; dadurch lässt sich aus dem Sensorsignal auch der Käfigschlupf berechnen. Wird z.B. ein Wirbelstromsensor 19 verwendet, der die Axialverschiebung der Rollenkörper 15 messen kann, lassen sich aus nur einem Sensorsignal drei Schlupfarten bestimmen, nämlich Rollenkörperschlupf, Käfigschlupf und Axialschlupf.
Die vorliegende Erfindung sieht auch die Verwendung eines gemäß verschiedenen Ausführungsformen oben beschriebenen Lagers vor, um die Geschwindigkeit mindestens eines Wälzkörpers 15 im Lager 12 zu bestimmen bzw. um den Schlupf im Lager 12 zu ermitteln.
Nachfolgend wird erläutert, wie man den Schlupf oder die Geschwindigkeit mindestens einer der Wälzkörper 15 gemäß Ausführungsformen der Erfindung ermitteln kann.
Fig. 1 1 zeigt beispielhaft Matlab-Simulationen für Wälzlager 12 mit rotierendem Innenring 13 und feststehendem Au ßenring 14, wobei der Sensor 19 am Au ßenring 14 befestigt ist. Die Erfindung gilt auch für Lager 12, bei denen der Innenring 13 feststehend ist und der Außenring 14 sich dreht. Der Wälzkörper 15, für den die Messungen simuliert sind, besitzt 20 Tiefenabweichungen 1 6, die umlaufend auf dem Wälzkörper 15 beabstandet voneinander angeordnet sind. Fig. 1 1 (a) zeigt die rechnerische Bahn des Sensors 19 im Koordinatensystem des Rollenkörpers 15 für verschiedene Schlupfgrade. Die fette schwarze Linie in der Figur signalisiert den vom Sensor 19 genommenen Weg. Von links nach rechts sind Simulationen für einen Schlupf von 0 %, 33 %, 67 % und 100% abgebildet. Dabei wird unter einem Schlupf von 0% verstanden, dass der Weg, den der Wälzkörper relativ zum Innenring zurücklegt, keinen Anteil aufweist, der mittels Gleitbewegung zurückgelegt wird. Bei einem Schlupf von 10% beträgt der Anteil des Weges, der durch eine Gleitbewegung zurückgelegt wird in Relation zum Gesamtweg des Wälzkörpers relativ zum Innenring 0,1 . Für die weiteren Prozentzahlen gilt entsprechendes. Aus der Figur geht hervor, dass je nach Schlupfgrad unterschiedlich viele Tiefenabweichungen 1 6 am Sensor 19 vorbeilau- fen. Das wird auch aus dem Zeitsignal des Sensors deutlich, das in Fig. 1 1 (b) abgebildet ist. Dies bedeutet, dass sich der Schlupfgrad bestimmen lässt, indem immer dann, wenn der Rollenkörper 15 mit den Tiefenabweichungen 1 6 am Sensor 19 vorbeiläuft, die Anzahl von Impulsen gezählt wird. Die Messauflösung lässt sich erhöhen, indem man nicht nur die Anzahl von Impulsen im Sensorsignal zählt, sondern auch die Zeitdauer zwischen den Impulsen berücksichtigt. Die Form der Vektor- Zeitlängen ist eine Parabel (siehe Fig. 1 1 (c)). Die geschätzten Kenngrößen dieser Parabel dienen zur Taxierung des Schlupfgrades.
Fig. 12 zeigt Ergebnisse aus Simulationen für einen Wälzkörper 15 wie oben zu Fig. 1 1 beschrieben, mit zufälligem Anfangswinkel des Wälzkörpers 15 im Moment des Vorbeilaufs des Rollenkörpers 15 am Sensor 19. Das linke Diagramm zeigt die Anzahl von Impulsen, die bei jedem Vorbeilauf des Sensors 19 am Wälzkörper 15 gezählt wurden. Das rechte Diagramm zeigt den Parameter a der Parabel mit der Gleichung y = a + bx2, berechnet aus dem Verlauf der Zeitabstände zwischen den Impulsen aufgetragen gegen die Zeit. Anschließend wird aus diesen Simulationen eine Funktion der Impulszahl und des Parameters a als Funktion des Schlupfes bestimmt. Diese Funktion ist in Fig. 12 durch die fette, durchgezogene Linie dargestellt. Im linken Diagramm ist dies eine gerade Linie, im rechten Diagramm wird eine Annäherung zweiter Ordnung verwendet. Anhand dieser Funktion wird dann der Schlupfgrad für die Simulationen geschätzt. Die Ergebnisse sind in Fig. 13 dargestellt. Der geschätzte Schlupfgrad aus der im Signal erfassten Impulszahl ist im linken Diagramm abgebildet. Aus diesem Diagramm geht hervor, dass 95 % der Schätzwerte innerhalb einer Abweichung von 15 % vom realen Schlupfgrad liegen,
d.h., bei 95 % der Kreuze in diesem Diagramm ist die Differenz zum realen Schlupfgrad (gerade Linie) kleiner als 15 %. Verwendet man die Funktion für Parameter a der geschätzten Parabel, ergibt sich ein Fehler von lediglich 2 % (siehe rechtes Diagramm).
Die Simulationen wurden experimentell überprüft. Zur Validierung der Simulationen wurde eine Versuchsanordnung aufgebaut. Ein Rollenkörper 15 mit einem Durchmesser von 58 mm wurde mit 20 Tiefenabweichungen 1 6 versehen, die mit Abstand umlaufend auf dem Rollenkörper 15 angebracht wurden, und von einem Elektromotor angetrieben, um die Rollenkörpergeschwindigkeit darzustellen. In dem Versuch wurde ein Zahnradsensor verwendet, der an einem Pendel befestigt war. Die Drehge- schwindigkeit des Pendels wurde mit einem Inkrementalgeber gemessen und repräsentiert die Käfiggeschwindigkeit des Lagers.
Bei jedem Vorbeilauf des Sensors am rotierenden Rollenkörper wurden die Zahl von Impulsen und die Zeitdauer zwischen den einzelnen Impulsen registriert. In ähnlicher Weise, wie oben für die Simulation beschrieben, wird aus dem Sensorsignal der Rollenschlupf geschätzt. Diese Schätzung wird mit einem genau bestimmten Schlupfwert verglichen, berechnet aus Werten gemessener Pendelgeschwindigkeit (= Käfiggeschwindigkeit) und der Motorgeschwindigkeit (Rollenkörpergeschwindigkeit).
Die Ergebnisse sind in Fig. 14 und Fig. 15 abgebildet. Bei dem Schlupfgrad, der aus der Anzahl der im Signal erfassten Impulse geschätzt wurde, liegen 95 % der Schätzwerte innerhalb einer Abweichung von 17 % vom realen Schlupfgrad; dies ist mit dem Simulationsergebnis vergleichbar. Verwendet man die Funktion für Parameter a der geschätzten Parabel, ergibt sich ein Fehler von 9 %.

Claims

Patentansprüche
1 . Wälzlager (10) für ein Getriebe, wobei das Wälzlager (10) einen Lagerinnenring (13), einen Lageraußenring (14) und zumindest einen Wälzkörper (15) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (10) einen Sensor (19) aufweist, welcher fest bezüglich einem Getriebeteile oder eines Teils des Wälzlagers (10) angeordnet ist und der Wälzkörper (15) an zumindest einer Seitenfläche (17) eine Tiefenabweichung (1 6) umfasst, wobei die Tiefenabweichung so ausgebildet ist, dass die Seitenfläche des Wälzkörpers (15) entlang einer Kreisbahn um eine Rotationsachse des Wälzkörpers (15) zumindest zwei unterschiedliche Tiefen aufweist und der Sensor zur Erfassung der Tiefenabweichung positioniert ist.
2. Wälzlager (10) für ein Getriebe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wälzkörper (15) des Wälzlagers (10) Tiefenabweichungen (1 6) aufweisen.
3. Wälzlager (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wälzkörper (15) mehrere Tiefenabweichungen (1 6) aufweist.
4. Wälzlager (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Tiefenabweichungen (1 6) durch eine Ausnehmung gebildet ist.
5. Wälzlager (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Tiefenabweichungen (1 6) durch einen Ma- terialüberschuss gebildet ist.
6. Wälzlager (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (19) am Innenring (13) des Wälzlagers (12), am Außenring (14) des Wälzlagers (12), an einem Käfig des Wälzlagers (12), an einem Gehäuse des Getriebes oder an einer Welle (1 1 ) des Getriebes befestigt ist.
7. Wälzlager (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (19) ein Abstandssensor, insbesondere ein Wirbelstromsensor, ein induktiver Näherungs-Sensor, ein Hall-Sensor oder ein Zahnradsensor ist.
8. Wälzlager (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (10) zylindrische Wälzkörper, konische Wälzkörper, Pendelrollenkörper oder Toroidal-Wälzkörper aufweist.
9. Wälzkörper (15) für ein Wälzlager (10) nach einem der vorherigen Ansprüche insbesondere für ein Getriebe für eine Windkraftanlage, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper (15) eine Lauffläche und zumindest eine Seitenfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenfläche eine Tiefenabweichung aufweist, so dass der Wälzkörper (15) entlang einer Kreislinie um die Rotationsachse des Wälzkörpers (15) zumindest zwei unterschiedliche Tiefen aufweist.
10. Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit, der Rotationsgeschwindigkeit und/oder des Schlupfs mindestens eines Wälzkörpers (15) eines Wälzlagers (10), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wälzkörper (15) auf einer Kreisbahn um die Rotationsachse unterschiedliche Tiefen aufweist und ein Sensor (19) an einem Teil des Wälzlagers (10 ) so angeordnet ist, dass die Tiefenabweichung erfasst werden kann, wobei aus dem Sensorsignal, insbesondere dem zeitlichen Abstand der Sensorsignale, welche abhängig sind von einem Vorbeibewegen der Tiefenabweichung an dem Sensor, die Geschwindigkeit, die Rotationsgeschwindigkeit und/oder der Schlupf berechnet wird.
1 1 . Getriebe umfassend ein Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
12. Verwendung eines Wälzkörpers nach Anspruch 9 und/oder eines Wälzlagers in einem Getriebe, insbesondere in einem Windkraftgetriebe.
EP14739084.3A 2013-07-29 2014-06-30 Wälzlager für ein getriebe Withdrawn EP3027919A1 (de)

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DE102013214703.1A DE102013214703A1 (de) 2013-07-29 2013-07-29 Wälzlager für ein Getriebe
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