WO2009121879A1 - Messlager, insbesondere für einen radsatz eines schienenfahrzeuges - Google Patents

Messlager, insbesondere für einen radsatz eines schienenfahrzeuges Download PDF

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WO2009121879A1
WO2009121879A1 PCT/EP2009/053810 EP2009053810W WO2009121879A1 WO 2009121879 A1 WO2009121879 A1 WO 2009121879A1 EP 2009053810 W EP2009053810 W EP 2009053810W WO 2009121879 A1 WO2009121879 A1 WO 2009121879A1
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bearing
bearing ring
measuring
recess
sensor device
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PCT/EP2009/053810
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Richard Schneider
Armin Luzi
Heinz-Dieter DÖRNER
Jochen Leusch
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Bombardier Transportation Gmbh
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    • B61F15/12—Axle-boxes with roller, needle, or ball bearings
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F16C41/008—Identification means, e.g. markings, RFID-tags; Data transfer means

Definitions

  • Measuring bearing in particular for a wheel set of a rail vehicle
  • the present invention relates to a measuring bearing, in particular for a wheelset of a rail vehicle, having a rotation axis and at least one first bearing ring.
  • the first bearing ring defines a main support direction and a circumferential direction transverse to the main support direction. Furthermore, the first bearing ring is designed to
  • the present invention further relates to a chassis for a rail vehicle with such a measuring bearing. Finally, the invention relates to a method for determining the mechanical loads of a measuring bearing.
  • Rolling bearings are used in a variety of different configurations to transmit radial and / or axial loads between relatively rotatable components.
  • the components of the rolling bearing can be subject to a wide variety of load cases (eg static and / or dynamic load, circulating and / or stationary load, etc.) for which the bearing must be designed accordingly.
  • load cases eg static and / or dynamic load, circulating and / or stationary load, etc.
  • load cases eg static and / or dynamic load, circulating and / or stationary load, etc.
  • the rolling bearing models mentioned above are also used in processes which serve to identify the (damage) state of a rolling bearing of this type.
  • a method is known for example from EP 1 197 415 B1.
  • the degree of damage is determined from dynamic measurements (via acceleration sensors) in the area of a bearing on the basis of a model of the bearing. It is true that a refinement of the model can be carried out via a later analysis of the measured bearing. Still, the problem remains that only secondary information about the actual load of the camp can be obtained.
  • Wheelset bearings of rail vehicles are usually subject to a relatively high loads, while on the other for such wheelset a high durability is required. This applies in particular to the wheelset bearings of high-speed vehicles. Despite comparatively high costs in the design of the wheelset bearings and a high-quality manufacturing occasionally damage is observed whose cause is unclear.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a measuring bearing or a method of the type mentioned above, which overcomes the disadvantages mentioned above and in particular allows a simple construction of a reliable measurement of the actual loads of the bearing.
  • the present invention solves this problem starting from a measuring bearing according to the preamble of claim 1 by the features stated in the characterizing part of claim 1. It solves this problem further starting from a method according to the preamble of claim 25 by the features stated in the characterizing part of claim 25
  • the present invention is based on the technical teaching that, with a simple structure, a reliable measurement of the actual loads of the bearing is made possible if a recess is made in a bearing ring of the bearing, in which a corresponding sensor device (with one or more sensors or the like) is inserted. is arranged to receive during operation of the bearing, if possible in real time, one or more detection variables, which is representative of the loads acting on the bearing in this area or are.
  • the measuring bearing can therefore be designed so that its mechanical properties at least largely correspond to those of a standard bearing (as intended for the application in question). Accordingly, from the measurements be closed at the measuring bearing with high accuracy on the actual load situation in the operation of the standard warehouse. The measurements on the measuring bearing can thus be used advantageously for the design of such a standard bearing, so that its design can be optimized.
  • a measuring bearing in particular for a wheelset of a rail vehicle, having an axis of rotation and at least one first bearing ring is provided for this purpose.
  • the first bearing ring defines a main support direction and a circumferential direction transverse to the main support direction. Furthermore, the first bearing ring is adapted to receive bearing forces, which have at least one force component in the main support direction and are introduced in operation via a plurality of rolling elements in the first bearing ring.
  • the first bearing ring has at least one first recess, in which a sensor device is arranged, wherein the sensor device is designed to detect a detection variable representative of the bearing forces introduced into the bearing ring.
  • the main supporting direction of the bearing designates the direction in which the bearing is intended to absorb mainly loads according to its purpose.
  • a pure radial bearing is in the main support direction to the radial direction of the bearing
  • the axial direction of the bearing is the main support direction.
  • the main support direction may optionally have a corresponding inclination to the radial direction or axial direction.
  • the main supporting direction is generally defined by a surface normal on the running surface of the rolling elements (assigned to the relevant bearing ring).
  • the first recess can in principle be arranged at any suitable location in the first bearing ring.
  • the first recess in the support region of the first bearing ring is arranged, that is the region of the first bearing ring, which mainly receives the loads during operation of the bearing.
  • This support area is usually in the projection of the rolling elements along the main support direction.
  • the first recess is therefore arranged in the region of a projection of a movement space of the rolling elements along the main support direction, wherein the movement space of the rolling elements corresponds to the toroid, which is defined by the rotating in operation about the rotation axis rolling elements.
  • the recess is preferably open to one side of the bearing ring.
  • this is a not facing the tread of the rolling elements side of the first bearing ring.
  • the first recess is open to the side facing away from the rolling elements of the first bearing ring, as this in a particularly simple manner positioning the sensor device at any point in the bearing ring is possible without a large recess in the first bearing ring and thus a corresponding weakening of the first bearing ring to have to provide.
  • the first recess with the first sensor device as the only recess in the first bearing ring.
  • at least one second sensor device is arranged in the first bearing ring in order to achieve a higher spatial resolution when looking at the actual loads in the bearing.
  • Preferred variants of the measuring bearing according to the invention are accordingly distinguished by the fact that the first bearing ring has at least one second recess in which a further sensor device is arranged, wherein the further sensor device is designed to detect a detection variable representative of the bearing forces introduced into the bearing ring.
  • the first recess and the second recess have a corresponding spacing. It is then preferably provided that the first recess and the second recess are arranged spaced from each other in the circumferential direction and / or transversely to the circumferential direction.
  • the first recess and the second recess are arranged spaced from each other in the circumferential direction by a first circumferential angle O 1 , wherein the rolling elements define a division in operation, the second circumferential angle ⁇ 2 corresponds, and the first circumferential angle Q 1 is greater than the second circumferential angle ⁇ 2 .
  • the second circumferential angle ⁇ 2 is calculated with the number N of the rolling elements to:
  • the first circumferential angle ⁇ -i is at least 1 10% of the second circumferential angle ⁇ 2 , preferably at least 130% of the second circumferential angle, more preferably at least 150% of the second circumferential angle, since this is a particularly favorable arrangement of the sensor devices with low weakening of the first bearing ring is possible.
  • a small distance of the two recesses with respect to a short-term dissipation of the sensor signals (for example via corresponding signal lines) from the bearing ring out is advantageous.
  • the first recess and the second recess are arranged in the region of a projection of a movement space of the rolling elements along the main support direction, wherein the first recess and the second recess to each other in a transverse to the
  • Circumferentially extending spacing direction are arranged spaced by a transverse distance a.
  • the range of motion of the rolling elements in turn corresponds to the toroid, which is defined by the circulating in operation around the rotation of the rotary body.
  • This movement space has a transverse dimension b in the distance direction.
  • the transverse distance a is 30% to 70% of the transverse dimension b, preferably 40% to 60% of the transverse dimension b, more preferably 45% to 55% of the transverse dimension b.
  • a small distance of the two recesses is advantageous with respect to a short-term dissipation of the sensor signals (for example via corresponding signal lines) from the bearing ring.
  • the depth of the respective recess is furthermore preferably correspondingly limited. It is preferably provided that the first recess in the main support direction has a depth dimension t and the first bearing ring in the main support direction has a thickness dimension d, wherein the Depth dimension is 130% to 70% of the thickness dimension d, preferably 40% to 60% of the thickness dimension d, more preferably 45% to 55% of the thickness dimension d.
  • the derivation or transmission of the measuring signals of the sensor device out of the bearing ring to a corresponding processing unit can in principle be carried out in any suitable manner.
  • the transmission of the measurement signals can be wholly or partially wireless.
  • at least one opening into the first recess conduit is provided, which is designed for leading out a signal connected to the first sensor means signal lines from the first bearing ring.
  • the duct may be made in any suitable manner.
  • a corresponding bore may be provided in the first bearing ring, which opens into the first recess.
  • a particularly easy to manufacture variant of the measuring bearing according to the invention is characterized in that in the first bearing ring at least one circumferential groove in the circumferential direction and opening into the first recess first groove is provided. Preferably then at least one further extending transversely to the circumferential direction of the second groove is provided, which opens into the first groove to lead out here, for example, connected to the sensor device signal lines from the first bearing ring.
  • the first recess and the second groove are arranged spaced apart in the circumferential direction by a third circumferential angle ⁇ 3
  • the Wäiz stresses (in the manner already described above ) Define a division in operation, which corresponds to a second circumferential angle ⁇ 2 , and the third circumferential angle ⁇ 3 is greater than the second circumferential angle ⁇ 2 .
  • the third circumferential angle ⁇ 3 is at least 110% of the second
  • Peripheral angle ⁇ 2 preferably at least 130% of the second circumferential angle ⁇ 2 , more preferably at least 150% of the second circumferential angle ⁇ 2 .
  • the invention can be used for any type of bearings. Particularly simple and advantageous it can be used in conjunction with radial bearings.
  • the first bearing ring defines a radial direction and the main support direction corresponds to this radial direction.
  • the invention can be particularly advantageous in configurations with several juxtaposed
  • Insert bearing rings Preferably, the first bearing ring defines an axial direction and adjacent to a second bearing ring is provided in the axial direction.
  • the two bearing rings do not have to connect directly to each other. Rather, it can be provided that an intermediate ring is arranged between the first bearing ring and the second bearing ring.
  • a particularly favorable configuration with regard to the measurements to be performed results when the second bearing ring is formed symmetrically with respect to the first bearing ring with respect to a plane of symmetry running perpendicular to the axial direction.
  • the present invention can be used for any type of rolling bearing, for example, ball bearings, roller bearings or needle roller bearings. Particularly easy to implement is the use with cylindrical roller bearings or tapered roller bearings.
  • the measurement can be made anywhere in the warehouse. The location of the measurement typically depends on the type of load on the bearing (stationary load or rotating load). It is of particular interest to make the measurements on the bearing ring, which experiences a rotating load. This may be a radial bearing both an outer ring and an inner ring of the radial bearing.
  • the first bearing ring typically forms an inner ring of the measuring bearing.
  • the first bearing ring in this case preferably forms a rotating during operation bearing ring of the measuring bearing.
  • the sensor device can in principle be designed in any suitable manner to detect a representative of the load on the bearing ring detection size. Because of its particularly simple construction and its simple handling, it is preferably provided that the first sensor device comprises at least one strain gauge connected to the first bearing ring. Preferably, at least two strain gauges are provided, which are preferably arranged diametrically opposite one another in the first recess, so that two measurement planes can be realized in a simple manner with a single recess. In principle, any orientation of the strain gauges is possible. Because of the circumferential movement, however, it is preferably provided that at least one strain gauge is aligned substantially in the circumferential direction.
  • the transmission of the measuring signals of the sensor device to a processing unit for its further processing can in principle be effected in any suitable manner.
  • a wireless transmission is provided at least in sections. It is therefore preferably provided that the first sensor device is connected to a transmitter of a telemetry device.
  • the present invention further relates to a rail vehicle with a measuring bearing according to one of the preceding claims.
  • the present invention further relates to a method for determining the mechanical loads of a measuring bearing, in particular for a wheelset of a rail vehicle, in which a measuring bearing is used which has an axis of rotation and at least one first bearing ring.
  • the first bearing ring defines a main support direction and a circumferential direction transverse to the main support direction.
  • the first bearing ring is further adapted to receive bearing forces, which have at least one force component in the main support direction and are introduced in operation via a plurality of rolling elements in the first bearing ring.
  • a detection variable representative of the bearing forces introduced into the bearing ring is detected by a first sensor device and output in the form of first measurement signals, wherein the first sensor device is arranged in a first recess of the first bearing ring.
  • the first measurement signals of the first sensor device are then used to determine the mechanical loads.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of part of a preferred embodiment
  • Figure 2 is a plan view of a development of the measuring bearing of Figure 1;
  • Figure 3 is a schematic side view of a portion of the rail vehicle according to the invention with the measuring bearing of Figure 1 and 2;
  • Figure 4 is a schematic sectional view of part of another preferred embodiment of the measuring bearing according to the invention.
  • a first preferred embodiment of the measuring bearing 101 according to the invention which is used in a preferred embodiment of the rail vehicle 102 according to the invention, will first be described below with reference to FIGS.
  • the rail vehicle 102 has a car body 102.1 which is supported on a bogie 102.2.
  • the bogie 102.2 comprises two sets of wheels 102.3, on which the bogie frame 102.4 is supported via wheelset bearing devices 102.5.
  • the respective wheelset bearing 102.5 includes a measuring bearing 101 with an inner part 101.1, which sits on the axle (not shown) of the wheel 102.3, while its outer part (not shown) in the Radsatzlagergephaseuse (not shown) of the Radsatzlager worn 102.5 sits.
  • the measuring bearing 101 is designed as a cylindrical roller bearing and designed in three parts, wherein it is mirror-symmetrical to a plane of symmetry 101.2.
  • the measuring bearing comprises a first part 101.3, a second part 101.4 and a third part 101.5.
  • the first part 101.3 of the measuring bearing 101 comprises a first bearing ring in the form of an inner ring 103.
  • the first part 101.3 of the measuring bearing 101 further comprises a plurality of N rolling elements in the form of cylindrical rollers 104, which run on a running surface 103.1 of the inner ring 103.
  • the corresponding proportion of the weight of the car body 102.1 in a main supporting direction in this case the radial direction R of the measuring bearing 101 (z-direction in FIG. 1), is supported via the cylinder grooves 104.
  • the inner ring 103 has, on the inner side facing the wheel set shaft, a first recess in the form of a first blind hole 105 pointing in the radial direction and a second recess in the form of a second blind hole 106 pointing in the radial direction.
  • the inner ring 103 on its inner side a circumferential in its perennialsrtchtung first groove 107, which opens into the first recess 105. Likewise, it has a circumferential in its circumferential direction U second groove 108, which opens into the second recess 106.
  • the two grooves 107 and 108 are connected to each other via an obliquely to the circumferential direction U extending third groove 109.
  • the third groove 109 extends in the axial direction (y-direction in FIG. 1) of the measuring bearing 101 completely through the inner ring 103.
  • a first sensor device 1 10 is arranged while in the second recess 106, a second sensor device 111 is arranged.
  • the first sensor device 110 and the second sensor device 111 each comprise two strain gauges, which are arranged diametrically opposite one another, so that they are each aligned essentially in the circumferential direction U of the inner ring 103.
  • the strain gauges 1 10.1, 110.2 of the first sensor device 1 10 are connected via first signal lines (for example, enameled copper wires) to a transmitter 112.1 of a telemetry device 1 12, which sits on the (not shown) wheelset shaft.
  • the first signal lines are guided in the first groove 107 to the third groove 109 and then out over the third groove 109 from the inner ring 103 out to the transmitter 112.1 (as in Figure 2 for reasons of clarity, for example, only for the strain gauges 110.1 completely is shown).
  • the strain gauges of the second sensor device 11 1 are connected via second signal lines (for example copper enameled wires) to the transmitter 112.1.
  • the second signal lines are guided in the second groove 108 to the third groove 109 and then out via the third groove 109 also from the inner ring 103 out to the transmitter 112.1 (as in Figure 2 for reasons of clarity, for example, only one of the two Strain gauge is shown).
  • the sensor devices 110 and 111 provide in a well-known manner over the voltage changes resulting from the strain gauges (serving as detection variable) signals which are representative of the respective ones Measuring location present loads of the inner ring 103 are.
  • the sensor devices 110 and 111 deliver data about the current load of the measuring bearing in real time, depending on the available sampling rate. In the present example, very high temporal resolutions are achieved, so that based on the rotation angle of the measuring bearing 101, an angular resolution of up to 1 ° can be achieved.
  • the transmitter 1 12.1 sends the measurement signals of the sensor devices 110 and 111 to a processing unit 112. 2 of the telemetry device 1 12, which further processes the signals of the sensor devices 110 and 111 accordingly and supplies the actual loads of the measurement bearing 101 therefrom.
  • the third bearing part 101.5 is configured symmetrically with respect to the first bearing part 101.3 and has the same number of sensor devices or strain gauges which extend over an axial direction (y direction in FIG. 1) (the two third grooves 109 of the first bearing part 101.3 and third bearing part 101.5 connecting) groove 101.6 are also connected to the transmitter devices 1 12.1 (as shown in Figure 2 for reasons of clarity, however, only incomplete).
  • the spatial resolution of the measurement is therefore defined by the respective four perpendicular to the axial direction (y-direction in Figure 1) aligned measuring planes in the first and third bearing part 101.3, 101.5, which by the four strain gages of the two sensor devices 110 and 111 in the first bearing part 101.3 and the four strain gages of the two sensor devices are defined in the third bearing part 101.5.
  • eight such measuring planes are defined.
  • a different number of measurement levels may be defined, for example by still further recesses with other sensor devices (each with one or more strain gauges). Furthermore, it is understood that in each case a different number of strain gauges can be provided in the first and second recess.
  • the recesses 105, 106 and the grooves 107, 108 are designed such that the annular cross-section of the inner ring 103 is only slightly weakened, so that and the high rigidity of the bearing 101 is changed only slightly. Therefore, an absolute comparison with unchanged series bearings is given.
  • the first recess 105 and the second recess 106 in the circumferential direction and transverse to the circumferential direction a corresponding distance.
  • first recess 105 and the second recess 106 are spaced from one another in the circumferential direction by a first circumferential angle Q 1 (as represented by the length Ta 1 in the development of FIG. 2, where r denotes the inner radius of the inner ring 103) 150% of a second circumferential angle ⁇ 2 corresponds.
  • the second circumferential angle ⁇ 2 is defined by the pitch of the Zyiinderrollen 104 and is still calculated from the above equation (1), ie to:
  • the first recess 105 and the second recess 106 are arranged in the region of a projection of a movement space of the cylindrical rollers 104 along the main support direction, that is to say the radial direction R.
  • the first recess 105 and the second recess 106 are spaced apart from one another by a transverse distance a in a spacing direction running transversely to the circumferential direction U (y-direction in FIG. 1).
  • the movement space of the rolling bodies in turn corresponds to the toroid which is defined by the cylindrical rollers 104 revolving around the axis of rotation of the measuring bearing 101 during operation.
  • This movement space has a transverse dimension b in the distance direction.
  • the transverse distance a of the first and second recesses 105, 106 is about 50% of the transverse dimension b.
  • a short distance between the two recesses 105, 106 is advantageous with respect to a short-term derivation of the sensor signals (for example via corresponding signal lines) from the bearing ring 103
  • the depth of the respective recess 105, 106 is furthermore limited.
  • the first recess 105 and the second recess 106 have a depth dimension t in the main support direction (z-direction in FIG. 1) on, wherein the depth dimension t amounts to about 50% of the thickness dimension d of Lager ⁇ ngs 103
  • the measurement of the load zones is obtained from the bearing force measurements over the respective circumference by means of the total number of measurement planes whose strain gauges are simultaneously registered.
  • the measurement data of each measurement circuit can be "turned back" to a reference angle by the processing unit 1 12 2
  • grooves with strain gauges can be arranged on the end wall of the bearing 101 in order to (also) detect the long forces on the bearing 101
  • the measuring bearing 201 largely corresponds to the measuring bearing 101 in its structure and functionality, so that only the differences are to be discussed here.
  • similar components are provided with reference numerals increased by 100 unless otherwise described below with regard to these components, reference is made to the above statements for the first exemplary embodiment
  • the only difference to the measuring bearing 101 of Figure 1 is that the measuring bearing 201 is not designed as a cylindrical roller bearing but as a tapered roller bearing.
  • first recess 205 and the second recess 206 are arranged so that their longitudinal axes parallel to the main support direction H, which is perpendicular to the tread 203.1 of the cylindrical rollers 204th is aligned on the inner ring 203.
  • the present invention has been described above exclusively by way of examples in which the measuring bearing is designed as a radial bearing. It is understood, however, that the invention can also be used in thrust bearings.
  • the invention can be used not only in connection with the wheel set bearings of rail vehicles but also for any other applications in which the most accurate possible determination of the actual loads of a bearing is desirable and beneficial.
  • the invention can also be used for any other types of vehicles (such as land, air and water vehicles), any mobile and stationary equipment, such as wind turbines, etc.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messiager, insbesondere für einen Radsatz eines Schienenfahrzeugs, mit einer Drehachse und wenigstens einem ersten Lagerring (103), wobei der erste Lagerring (103) eine Hauptstützrichtung und eine quer zur Hauptstützrichtung verlaufende Umfangsrichtung definiert, der erste Lagerring (103; 203) dazu ausgebildet ist, Tragkräfte aufzunehmen, die zumindest eine Kraftkomponente in der Hauptstützrichtung aufweisen und im Betrieb über eine Mehrzahl von Wälzkörpern (104) in den ersten Lagerring (103) eingeleitet werden. Der erste Lagerring (103) weist wenigstens eine erste Ausnehmung (105) auf, in der eine Sensoreinrichtung (110) angeordnet ist, wobei die Sensoreinrichtung (110) zum Erfassen einer für die in den ersten Lagerring (103) eingeleiteten Tragkräfte repräsentativen Erfassungsgröße ausgebildet ist.

Description

MESSLAGER, INSBESONDERE FÜR EINEN RADSATZ EINES SCHIENENFAHRZEUGES
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messlager, insbesondere für einen Radsatz eines Schienenfahrzeugs, mit einer Drehachse und wenigstens einem ersten Lagerring. Der erste Lagerring definiert eine Hauptstützrichtung und eine quer zur Hauptstützrichtung verlaufende Umfangsrichtung. Weiterhin ist der erste Lagerring dazu ausgebildet,
Tragkräfte aufzunehmen, die zumindest eine Kraftkomponente in der Hauptstützrichtung aufweisen und im Betrieb über eine Mehrzahl von Wälzkörpern in den ersten Lagerring eingeleitet werden. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrwerk für ein Schienenfahrzeug mit einem solchen Messlager. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der mechanischen Belastungen eines Messlagers.
Wälzlager werden in einer Vielzahl unterschiedlicher Gestaltungen eingesetzt, um radiale und/oder axiale Lasten zwischen relativ zueinander drehbaren Bauteilen zu übertragen. Hierbei können die Komponenten des Wälzlagers je nach dem Anwendungsfall unterschiedlichsten Lastfällen (z. B. statische und/oder dynamische Last, umlaufende und/oder stationäre Last etc.) unterliegen, für welche das Lager entsprechend ausgelegt sein muss. Zwar ist es möglich, das Lager und die zu erwartenden Lastfälle weit gehend zu modellieren und anhand von Simulationsrechnungen die Auslegung eines solchen Lagers vorzunehmen. Problematisch ist jedoch nach wie vor, dass für die zu erwartenden Lastfälie zwangsläufig eine gewisse Vereinfachung vorgenommen werden muss. Zudem bereitet es Schwierigkeiten, Fertigungstoleranzen und Einbautoleranzen in derartigen Modellrechnungen zu berücksichtigen.
Weiterhin ist es bekannt, die tatsächlich im Betrieb eines Lagers auftretenden Lastfälle durch Analyse des Tragbilds bzw. des Schädigungsbildes eines genutzten Lagers abzuschätzen. Jedoch ist es auch hier schwierig, Rückschlüsse auf die tatsächliche Lastsituation im Betrieb zu ziehen.
Die oben genannten Modelle des Wälzlagers finden unter anderem auch in Verfahren Anwendung, die zur Identifikation des (Schädigungs-)Zustands eines Wälzlagers dieses Typs dienen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der EP 1 197 415 B1 bekannt. Hierbei wird aus dynamischen Messungen (über Beschleunigungssensoren) im Bereich eines Lagers anhand eines Modells des Lagers auf dessen Schädigungsgrad geschlossen. Zwar kann über eine spätere Analyse des vermessenen Lagers wiederum eine Verfeinerung des Modells erfolgen. Nach wie vor bleibt aber das Problem, dass lediglich sekundäre Informationen über die tatsächliche Belastung des Lagers gewonnen werden können.
Radsatzlager von Schienenfahrzeugen unterliegen in der Regel zum einen vergleichsweise hohen Belastungen, während zum anderen für solche Radsatzlager eine hohe Haltbarkeit gefordert wird. Dies gilt insbesondere für die Radsatzlager von Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen. Trotz vergleichsweise hohem Aufwand bei der Auslegung der Radsatzlager und einer qualitativ hochwertigen Fertigung werden gelegentlich Schäden beobachtet, deren Ursache unklar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Messlager bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welches die oben genannten Nachteile überwindet und insbesondere bei einfachem Aufbau eine zuverlässige Messung der tatsächlichen Belastungen des Lagers ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einem Messlager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Sie löst diese Aufgabe weiterhin ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 25 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 25 angegebenen Merkmale
Der vorliegenden Erfindung liegt die technische Lehre zu Grunde, dass man bei einfachem Aufbau eine zuverlässige Messung der tatsächlichen Belastungen des Lagers ermöglicht, wenn in einen Lagerring des Lagers eine Ausnehmung eingebracht wird, in der eine entsprechende Sensoreinrichtung (mit einem oder mehreren Sensoren oder dergleichen) angeordnet wird, um im Betrieb des Lagers, möglichst in Echtzeit, eine oder mehrere Erfassungsgrößen aufzunehmen, welche für die auf das Lager in diesem Bereich wirkenden Lasten repräsentativ ist bzw. sind.
Es hat sich gezeigt, dass eine solche Anordnung, insbesondere eine solche Ausnehmung, in einer Weise erzeugt werden kann, dass hierdurch keine nennenswerte Schwächung des Lagers, insbesondere keine nennenswerte Verringerung der Steifigkeit des Lagers, resultiert. Das Messlager kann mithin also so gestaltet werden, dass seine mechanischen Eigenschaften denjenigen eines Standardlagers (wie es für die betreffende Anwendung vorgesehen ist) zumindest weit gehend entsprechen. Demgemäß kann aus den Messungen am Messlager mit hoher Genauigkeit auf die tatsächliche Lastsituation im Betrieb des Standardlagers geschlossen werden. Die Messungen am Messlager können somit in vorteilhafter Weise für die Auslegung eines solchen Standardlagers verwendet werden, sodass dessen Gestaltung optimiert werden kann.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist hierzu ein Messlager, insbesondere für einen Radsatz eines Schienenfahrzeugs, mit einer Drehachse und wenigstens einem ersten Lagerring vorgesehen. Der erste Lagerring definiert eine Hauptstützrichtung und eine quer zur Hauptstützrichtung verlaufende Umfangsrichtung. Weiterhin ist der erste Lagerring dazu ausgebildet, Tragkräfte aufzunehmen, die zumindest eine Kraftkomponente in der Hauptstützrichtung aufweisen und im Betrieb über eine Mehrzahl von Wälzkörpern in den ersten Lagerring eingeleitet werden. Der erste Lagerring weist wenigstens eine erste Ausnehmung auf, in der eine Sensoreinrichtung angeordnet ist, wobei die Sensoreinrichtung zum Erfassen einer für die in den Lagerring eingeleiteten Tragkräfte repräsentativen Erfassungsgröße ausgebildet ist.
Die Hauptstützrichtung des Lagers bezeichnet dabei diejenige Richtung, in der das Lager nach seinem Einsatzzweck hauptsächlich Lasten aufnehmen soll. Bei einem reinen Radiallager handelt es sich bei der Hauptstützrichtung um die Radialrichtung des Lagers, während bei einem reinen Axiallager die Axialrichtung des Lagers die Hauptstützrichtung darstellt. Bei Mischformen (beispielsweise Kegelrollenlagern, Tonnenrollenlagern etc.) kann die Hauptstützrichtung gegebenenfalls eine entsprechende Neigung zu der Radialrichtung bzw. Axialrichtung aufweisen. Bei Wälzkörpern mit Mantelflächen, die in einem (die Wälzkörperachse enthaltenden) Schnitt geradlinig verlaufen, ist die Hauptstützrichtung in der Regel durch eine Flächennormale auf der (dem betreffenden Lagerring zugeordneten) Lauffläche der Wälzkörper definiert.
Die erste Ausnehmung kann grundsätzlich an beliebiger geeigneter Steile in dem ersten Lagerring angeordnet sein. Vorzugsweise ist die erste Ausnehmung im Tragbereich des ersten Lagerrings angeordnet, also dem Bereich des ersten Lagerrings, der hauptsächlich die Lasten im Betrieb des Lagers aufnimmt. Dieser Tragbereich liegt in der Regel in der Projektion der Wälzkörper entlang der Hauptstützrichtung. Vorzugsweise ist die erste Ausnehmung daher im Bereich einer Projektion eines Bewegungsraums der Wälzkörper entlang der Hauptstützrichtung angeordnet, wobei der Bewegungsraum der Wälzkörper dem Toroid entspricht, das durch die im Betrieb um die Drehachse umlaufenden Wälzkörper definiert ist. Um eine einfache Zugänglichkeit der ersten Ausnehmung zu gewährleisten, insbesondere eine einfache Montage der Sensoreinrichtung zu ermöglichen, ist die Ausnehmung vorzugsweise zu einer Seite des Lagerrings hin offen. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine nicht zur Lauffläche der Wälzkörper weisende Seite des ersten Lagerrings. Bevorzugt ist die erste Ausnehmung zu der den Wälzkörpern abgewandten Seite des ersten Lagerrings offen, da hierdurch in besonders einfacher Weise eine Positionierung der Sensoreinrichtung an einer beliebigen Stelle im Lagerring möglich ist, ohne eine große Ausnehmung im ersten Lagerring und damit eine entsprechende Schwächung des ersten Lagerrings vorsehen zu müssen.
Je nach dem Anwendungsfall kann es grundsätzlich ausreichen, die erste Ausnehmung mit der ersten Sensoreinrichtung als einzige Ausnehmung in dem ersten Lagerring vorzusehen. Bevorzugt ist jedoch wenigstens eine zweite Sensoreinrichtung in dem ersten Lagerring angeordnet, um eine höhere räumliche Auflösung bei der Betrachtung der tatsächlichen Lasten im Lager zu erzielen. Bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Messlagers zeichnen sich demgemäß dadurch aus, dass der erste Lagerring wenigstens eine zweite Ausnehmung aufweist, in der eine weitere Sensoreinrichtung angeordnet ist, wobei die weitere Sensoreinrichtung zum Erfassen einer für die in den Lagerring eingeleiteten Tragkräfte repräsentativen Erfassungsgröße ausgebildet ist.
Es versteht sich hierbei, dass über die beiden Sensoreinrichtungen hinaus noch weitere Sensoreinrichtungen vorgesehen sein können, um die räumliche Auflösung der Messung zu erhöhen. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass die durch die zusätzlichen Ausnehmungen entstehende mechanische Schwächung des Lagers, insbesondere die damit einhergehende Verringerung der Steifigkeit, noch in einem tolerablen Bereich bleibt, um zuverlässige Aussagen über die tatsächlichen Lastverhältnisse im Betrieb eines Standardlagers treffen zu können.
Um die lokale Schwächung des ersten Lagerrings im Bereich der jeweiligen Ausnehmung möglichst gering zu halten, weisen die erste Ausnehmung und die zweite Ausnehmung einen entsprechenden Abstand auf. Vorzugsweise ist dann vorgesehen, dass die erste Ausnehmung und die zweite Ausnehmung zueinander in der Umfangsrichtung und/oder quer zu der Umfangsrichtung beabstandet angeordnet sind.
Vorzugsweise sind die erste Ausnehmung und die zweite Ausnehmung zueinander in der Umfangsrichtung um einen ersten Umfangswinkel O1 beabstandet angeordnet sind, wobei die Wälzkörper im Betrieb eine Teilung definieren, die einem zweiten Umfangswinkel α2 entspricht, und der erste Umfangswinkel Q1 größer ist als der zweite Umfangswinkel α2. Der zweite Umfangswinkel α2 berechnet sich dabei mit der Anzahl N der Wälzkörper zu:
Figure imgf000007_0001
Bevorzugt beträgt der erste Umfangswinkel α-i wenigstens 1 10% des zweiten Umfangswinkels α2, vorzugsweise wenigstens 130% des zweiten Umfangswinkels, weiter vorzugsweise wenigstens 150% des zweiten Umfangswinkels, da hiermit eine besonders günstige Anordnung der Sensoreinrichtungen bei gleichzeitiger geringer Schwächung des ersten Lagerrings möglich ist. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass ein geringer Abstand der beiden Ausnehmungen im Hinblick auf eine auf kurzem Wege erfolgende Ableitung der Sensorsignale (beispielsweise über entsprechende Signalleitungen) aus dem Lagerring heraus von Vorteil ist.
Bei weiteren bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Messlagers sind die erste Ausnehmung und die zweite Ausnehmung im Bereich einer Projektion eines Bewegungsraums der Wälzkörper entlang der Hauptstützrichtung angeordnet, wobei die erste Ausnehmung und die zweite Ausnehmung zueinander in einer quer zu der
Umfangsrichtung verlaufenden Abstandsrichtung um einen Querabstand a beabstandet angeordnet sind. Der Bewegungsraum der Wälzkörper entspricht wiederum dem Toroid, das durch die im Betrieb um die Drehachse umlaufenden Wäizkörper definiert ist. Dieser Bewegungsraum weist in der Abstandsrichtung eine Querabmessung b auf. Der Querabstand a beträgt 30% bis 70% der Querabmessung b, vorzugsweise 40% bis 60% der Querabmessung b, weiter vorzugsweise 45% bis 55% der Querabmessung b.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass ein geringer Abstand der beiden Ausnehmungen (in Querrichtung und in Umfangsrichtung) im Hinblick auf eine auf kurzem Wege erfolgende Ableitung der Sensorsignale (beispielsweise über entsprechende Signalleitungen) aus dem Lagerring heraus von Vorteil ist.
Um eine möglichst geringe mechanische Schwächung des Messlagers gegenüber einem entsprechenden Standardlager zu erzielen ist weiterhin die Tiefe der jeweiligen Ausnehmung vorzugsweise entsprechend begrenzt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Ausnehmung in der Hauptstützrichtung eine Tiefenabmessung t aufweist und der erste Lagerring in der Hauptstützrichtung eine Dickenabmessung d aufweist, wobei die Tiefenabmessung 130% bis 70% der Dickenabmessung d beträgt, vorzugsweise 40% bis 60% der Dickenabmessung d, weiter vorzugsweise 45% bis 55% der Dickenabmessung d.
Die Ableitung bzw. Übertragung der Messsignale der Sensoreinrichtung aus dem Lagerring heraus zu einer entsprechenden Verarbeitungseinheit kann grundsätzlich in beliebiger geeigneter Weise erfolgen. Insbesondere kann die Übertragung der Messsignale ganz oder teilweise drahtlos erfolgen. Bei bevorzugten, weil besonders einfach aufgebauten Varianten ist wenigstens ein in die erste Ausnehmung mündender Leitungskanal vorgesehen, der zum Herausführen einer mit der ersten Sensoreinrichtung verbundenen Signalleitungen aus den ersten Lagerring ausgebildet ist.
Der Leitungskanal kann auf beliebige geeignete Weise hergestellt sein. Insbesondere kann in dem ersten Lagerring eine entsprechende Bohrung vorgesehen sein, welche in die erste Ausnehmung mündet. Eine besonders einfach herzustellende Variante des erfindungsgemäßen Messlagers zeichnet sich dadurch aus, dass in dem ersten Lagerring wenigstens eine in der Umfangsrichtung umlaufende und in die erste Ausnehmung mündende erste Nut vorgesehen ist. Vorzugsweise ist dann weiterhin wenigstens eine quer zu der Umfangsrichtung verlaufende zweite Nut vorgesehen ist, die in die erste Nut mündet, um hierüber beispielsweise mit der Sensoreinrichtung verbundene Signalleitungen aus dem ersten Lagerring herauszuführen.
Um auch hier wieder eine möglichst geringe lokale Schwächung des ersten Lagerrings zu erzielen, ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Ausnehmung und die zweite Nut zueinander in der Umfangsrichtung um einen dritten Umfangswinkel α3 beabstandet angeordnet sind, die Wäizkörper (in der oben bereits beschriebenen Weise) im Betrieb eine Teilung definieren, die einem zweiten Umfangswinkel α2 entspricht, und der dritte Umfangswinkel α3 größer ist als der zweite Umfangswinkel α2. Bevorzugt ist auch hier wieder vorgesehen, dass der dritte Umfangswinkel α3 wenigstens 110% des zweiten
Umfangswinkels α2 beträgt, vorzugsweise wenigstens 130% des zweiten Umfangswinkels α2, weiter vorzugsweise wenigstens 150% des zweiten Umfangswinkels α2.
In diesem Zusammenhang ist wiederum anzumerken, dass ein geringer Abstand der zweiten Nut von den beiden Ausnehmungen (in Umfangsrichtung) im Hinblick auf eine auf kurzem Wege erfolgende Ableitung der Sensorsignale (beispielsweise über entsprechende Signalleitungen) aus dem Lagerring heraus von Vorteil ist. Die Erfindung kann wie erwähnt für beliebige Arten von Lagern eingesetzt werden. Besonders einfach und vorteilhaft lässt sie sich im Zusammenhang mit Radiallagern einsetzen. Vorzugsweise definiert der erste Lagerring daher eine Radialrichtung und die Hauptstützrichtung entspricht dieser Radialrichtung. Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung dabei bei Konfigurationen mit mehreren nebeneinander angeordneten
Lagerringen einsetzen. Vorzugsweise definiert der erste Lagerring eine Axialrichtung und es ist in der Axialrichtung benachbart ein zweiter Lagerring vorgesehen. Dabei müssen die beiden Lagerringe nicht unmittelbar aneinander anschließen. Vielmehr kann vorgesehen sein, dass zwischen den ersten Lagerring und dem zweiten Lagerring ein Zwischenring angeordnet ist.
Eine besonders günstige Konfiguration im Hinblick auf die durchzuführenden Messungen ergibt sich, wenn der zweite Lagerring bezüglich einer senkrecht zu der Axialrichtung verlaufenden Symmetrieebene symmetrisch zu dem ersten Lagerring ausgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung lässt sich für beliebige Typen von Wälzlagern einsetzen, beispielsweise für Kugellager, Tonnenrollenlager oder Nadelrollenlager. Besonders einfach zu realisieren ist der Einsatz bei Zylinderrollenlagern oder Kegelrollenlagern. Weiterhin kann die Messung an beliebiger Stelle im Lager vorgenommen werden. Der Ort der Messung richtet sich dabei typischerweise nach der Art der Belastung des Lagers (stationäre Last oder umlaufende Last). Dabei ist es von besonderem Interesse die Messungen an dem Lagerring vorzunehmen, der eine umlaufende Last erfährt. Hierbei kann es sich bei einem Radiallager sowohl um einen Außenring als auch um einen Innenring des Radiallagers handeln. Im Fall einen Radsatzlagers bildet der erste Lagerring daher typischerweise einen Innenring des Messlagers. Weiterhin bildet der erste Lagerring in diesem Fall vorzugsweise einen im Betrieb umlaufenden Lagerring des Messlagers.
Die Sensoreinrichtung kann grundsätzlich in beliebiger geeigneter Weise gestaltet sein, um eine für die Belastung des Lagerrings repräsentative Erfassungsgröße zu erfassen. Wegen ihres besonders einfachen Aufbaus und ihrer einfachen Handhabung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die erste Sensoreinrichtung wenigstens einen mit dem ersten Lagerring verbundenen Dehnungsmessstreifen umfasst. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Dehnungsmessstreifen vorgesehen, die bevorzugt in der ersten Ausnehmung diametral gegenüberliegend angeordnet sind, sodass in einfacher Weise mit einer einzigen Ausnehmung zwei Messebenen realisiert werden können. Hierbei ist grundsätzlich eine beliebige Ausrichtung der Dehnungsmessstreifen möglich. Wegen der umlaufenden Bewegung ist jedoch vorzugsweise vorgesehen, dass wenigstens ein Dehnungsmessstreifen im Wesentlichen in der Umfangsrichtung ausgerichtet ist.
Die Übermittlung der Messsignale der Sensoreinrichtung an eine Verarbeitungseinheit zu deren weiterer Verarbeitung kann grundsätzlich auf beliebige geeignete Weise erfolgen. Vorzugsweise ist zumindest abschnittsweise eine drahtlose Übertragung vorgesehen. Bevorzugt ist daher vorgesehen, dass die erste Sensoreinrichtung mit einem Sender einer Telemetrieeinrichtung verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Schienenfahrzeug mit einem Messlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Hiermit lassen sich die vorstehend beschriebenen Varianten und Vorteile in demselben Maße realisieren, sodass diesbezüglich auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Ermittlung der mechanischen Belastungen eines Messlagers, insbesondere für einen Radsatz eines Schienenfahrzeugs, bei dem ein Messlager verwendet wird, das eine Drehachse und wenigstens einen ersten Lagerring aufweist. Der erste Lagerring definiert eine Hauptstützrichtung und eine quer zur Hauptstützrichtung verlaufende Umfangsrichtung. Der erste Lagerring ist weiterhin dazu ausgebildet, Tragkräfte aufzunehmen, die zumindest eine Kraftkomponente in der Hauptstützrichtung aufweisen und im Betrieb über eine Mehrzahl von Wälzkörpern in den ersten Lagerring eingeleitet werden. Durch eine erste Sensoreinrichtung wird im Betrieb eine für die in den Lagerring eingeleiteten Tragkräfte repräsentative Erfassungsgröße erfasst und in Form von ersten Messsignalen ausgegeben, wobei die erste Sensoreinrichtung in einer ersten Ausnehmung des ersten Lagerrings angeordnet ist. Die ersten Messsignale der ersten Sensoreinrichtung werden dann zur Ermittlung der mechanischen Belastungen verwendet. Hiermit lassen sich die vorstehend beschriebenen Varianten und Vorteile ebenfalls in demselben Maße realisieren, sodass diesbezüglich auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen bzw. der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Teils einer bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messlagers (entlang Linie l-l aus Figur 2);
Figur 2 eine Draufsicht auf eine Abwicklung des Messlagers aus Figur 1 ;
Figur 3 eine schematische Seitenansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs mit dem Messlager aus Figur 1 und 2;
Figur 4 eine schematische Schnittansicht eines Teils einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messlagers.
Erstes Ausführungsbeispiel
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 zunächst eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messlagers 101 beschrieben, das in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs 102 eingesetzt ist.
Wie Figur 3 zu entnehmen ist, weist das Schienenfahrzeug 102 einen Wagenkasten 102.1 auf, der auf einem Drehgestell 102.2 abgestützt ist. Das Drehgestell 102.2 umfasst zwei Radsätze 102.3, auf denen der Drehgestellrahmen 102.4 über Radsatzlagereinrichtungen 102.5 abgestützt ist. Die jeweilige Radsatzlagereinrichtung 102.5 umfasst ein Messlager 101 mit einem Innenteil 101.1 , der auf der Radsatzwelle (nicht dargestellt) des Radsatzes 102.3 sitzt, während sein Außenteil (nicht dargestellt) in dem Radsatzlagergehäuse (nicht dargestellt) der Radsatzlagereinrichtung 102.5 sitzt.
Das Messlager 101 ist als Zylinderrollenlager ausgebildet und dreiteilig ausgeführt, wobei es spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene 101.2 ausgebildet ist. Hierbei umfasst das Messlager einen ersten Teil 101.3, einen zweiten Teil 101.4 und einen dritten Teil 101.5.
Der erste Teil 101.3 des Messlagers 101 umfasst einen ersten Lagerring in Form eines Innenrings 103. Der erste Teil 101.3 des Messlagers 101 umfasst weiterhin eine Mehrzahl von N Wälzkörpern in Form von Zylinderrollen 104, die auf einer Lauffläche 103.1 des Innenrings 103 laufen. Über die Zylinderrolien 104 wird unter anderem der entsprechende Anteil der Gewichtskraft des Wagenkastens 102.1 in einer Hauptstützrichtung, hier der Radialrichtung R des Messlagers 101 (z-Richtung in Figur 1) abgestützt. Der Innenring 103 weist auf der der Radsatzwelle zugewandten Innenseite eine in die Radialrichtung weisende erste Ausnehmung in Form eines ersten Sacklochs 105 sowie eine in der Radialrichtung weisende zweite Ausnehmung in Form eines zweiten Sacklochs 106 auf.
Weiterhin weist der Innenring 103 auf seiner Innenseite eine in seiner Umfangsrtchtung umlaufende erste Nut 107 auf, welche in die erste Ausnehmung 105 mündet. Ebenso weist er eine in seiner Umfangsrichtung U umlaufende zweite Nut 108 auf, welche in die zweite Ausnehmung 106 mündet. Die beiden Nuten 107 und 108 sind über eine schräg zur Umfangsrichtung U verlaufende dritte Nut 109 miteinander verbunden. Die dritte Nut 109 erstreckt sich dabei in Axialrichtung (y-Richtung in Figur 1) des Messlagers 101 vollständig durch den Innenring 103 hindurch.
In der ersten Ausnehmung 105 ist eine erste Sensoreinrichtung 1 10 angeordnet während in der zweiten Ausnehmung 106 eine zweite Sensoreinrichtung 111 angeordnet ist. Die erste Sensoreinrichtung 110 und die zweite Sensoreinrichtung 111 umfassen jeweils zwei Dehnungsmessstreifen, die einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind, sodass sie jeweils im Wesentlichen in Umfangsrichtung U des Innenrings 103 ausgerichtet sind.
Die Dehnungsmessstreifen 1 10.1 , 110.2 der ersten Sensoreinrichtung 1 10 sind über erste Signalleitungen (beispielsweise Kupferlackdrähte) mit einem Sender 112.1 einer Telemetrieeinrichtung 1 12 verbunden, der auf der (nicht dargestellten) Radsatzwelle sitzt. Die ersten Signaüeitungen sind dabei in der ersten Nut 107 bis zur dritten Nut 109 geführt und dann über die dritte Nut 109 aus den Innenring 103 heraus zu dem Sender 112.1 geführt (wie dies in Figur 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit beispielhaft nur für den Dehnungsmessstreifen 110.1 vollständig dargestellt ist).
Die Dehnungsmessstreifen der zweiten Sensoreinrichtung 11 1 sind über zweite Signalleitungen (beispielsweise Kupferlackdrähte) mit dem Sender 112.1 verbunden. Die zweiten Signalleitungen sind dabei in der zweiten Nut 108 bis zur dritten Nut 109 geführt und dann über die dritte Nut 109 ebenfalls aus den Innenring 103 heraus zu dem Sender 112.1 geführt (wie dies in Figur 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit beispielhaft nur für einen der beiden Dehnungsmessstreifen dargestellt ist).
Die Sensoreinrichtungen 110 und 111 liefern in hinlänglich bekannter Weise über die aus den (als Erfassungsgröße dienenden) Verformungen der Dehnungsmessstreifen resultierenden Spannungsänderungen Signale, weiche repräsentativ für die am jeweiligen Messort vorliegenden Belastungen des Innenrings 103 sind. Dabei liefern die Sensoreinrichtungen 110 und 111 je nach der verfügbaren Abtastrate in Echtzeit Daten über die aktuelle Belastung des Messlagers. Im vorliegenden Beispiel werden sehr hohe zeitliche Auflösungen erreicht, sodass bezogen auf den Drehwinkel des Messlagers 101 eine Winkelauflösung bis zu 1 ° erzielt werden kann.
Der Sender 1 12.1 sendet die Messsignale der Sensoreinrichtungen 110 und 111 an eine Verarbeitungseinheit 112.2 der Telemetrieeinrichtung 1 12, welche die Signale der Sensoreinrichtungen 110 und 111 entsprechend weiterverarbeitet und hieraus die tatsächlichen Belastungen des Messlagers 101 liefert.
Der dritte Lagerteil 101.5 ist wie erwähnt symmetrisch zum ersten Lagerteil 101.3 ausgeführt und weist dieselbe Anzahl an Sensoreinrichtungen bzw. Dehnungsmessstreifen auf, die über eine in Axialrichtung (y-Richtung in Figur 1) verlaufende (die beiden dritten Nuten 109 des ersten Lagerteils 101.3 und des dritten Lagerteils 101.5 verbindende) Nut 101.6 ebenfalls mit der Sendereinrichtungen 1 12.1 verbunden sind (wie dies in Figur 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nur unvollständig dargestellt ist).
Die räumliche Auflösung der Messung ist daher durch die jeweils vier senkrecht zur Axialrichtung (y-Richtung in Figur 1) ausgerichteten Messebenen in dem ersten und dritten Lagerteil 101.3, 101.5 definiert, welche durch die vier Dehnungsmessstreifen der beiden Sensoreinrichtungen 110 und 111 in dem ersten Lagerteil 101.3 und die vier Dehnungsmessstreifen der beiden Sensoreinrichtungen in dem dritten Lagerteil 101.5 definiert werden. Mithin sind in dem Messlager 101 also acht solcher Messebenen definiert.
Es versteht sich hierbei, dass bei anderen Varianten der Erfindung auch eine andere Anzahl von Messebenen definiert sein kann, beispielsweise indem noch weitere Ausnehmungen mit weiteren Sensoreinrichtungen (mit jeweils einem oder mehreren Dehnungsmessstreifen). Weiterhin versteht es sich, dass in der ersten und zweiten Ausnehmung jeweils eine andere Anzahl von Dehnungsmessstreifen vorgesehen sein kann.
Die Ausnehmungen 105, 106 und die Nuten 107, 108 sind derart ausgeführt, dass der Ringquerschnitt des Innenrings 103 nur minimal geschwächt ist, sodass und die hohe Steifigkeit des Lagers 101 nur unwesentlich verändert wird. Daher ist eine absolute Vergleichbarkeit mit unveränderten Serienlagern gegeben. Um die lokale Schwächung des ersten Lagerrings im Bereich der jeweiligen Ausnehmung möglichst gering zu halten sowie eine ausreichende Abdeckung des belasteten Bereichs des Messlagers 101 durch die Messung zu erhalten, weisen die erste Ausnehmung 105 und die zweite Ausnehmung 106 in der Umfangsrichtung und quer zu der Umfangsrichtung einen entsprechenden Abstand auf.
So sind die erste Ausnehmung 105 und die zweite Ausnehmung 106 zueinander in der Umfangsrichtung um einen ersten Umfangswinkel Q1 beabstandet (wie dies in der Abwicklung aus Figur 2 durch die Länge Ta1 repräsentiert ist, wobei r den Innenradius des Innenrings 103 bezeichnet), der 150% eines zweiten Umfangswinkels α2 entspricht. Der zweite Umfangswinkel α2 ist durch die Teilung der Zyiinderrollen 104 definiert und berechnet sich noch der obigen Gleichung (1), also zu:
360°
CC2 =
N
Hiermit wird eine besonders günstige Anordnung der Sensoreinrichtungen 110, 111 bei gleichzeitiger geringer Schwächung des ersten Lagerrings 103 ermöglicht. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass ein geringer Abstand der beiden Ausnehmungen 105, 106 im Hinblick auf eine auf kurzem Wege erfolgende Ableitung der Sensorsignale (beispielsweise über entsprechende Signalleitungen) aus dem Lagerring 103 heraus von Vorteil ist.
Wie Figur 1 und 2 zu entnehmen ist, sind die erste Ausnehmung 105 und die zweite Ausnehmung 106 im Bereich einer Projektion eines Bewegungsraums der Zylinderrollen 104 entlang der Hauptstützrichtung, also der Radialrichtung R, angeordnet. Die erste Ausnehmung 105 und die zweite Ausnehmung 106 sind dabei zueinander in einer quer zu der Umfangsrichtung U (y-Richtung in Figur 1) verlaufenden Abstandsrichtung um einen Querabstand a beabstandet.
Der Bewegungsraum der Wälzkörper entspricht wiederum dem Toroid, das durch die im Betrieb um die Drehachse des Messlagers 101 umlaufenden Zylinderrollen 104 definiert ist. Dieser Bewegungsraum weist in der Abstandsrichtung eine Querabmessung b auf. Der Querabstand a der ersten und zweiten Ausnehmung 105, 106 beträgt etwa 50% der Querabmessung b. In diesem Zusammenhang ist wiederum anzumerken, dass ein geringer Abstand der beiden Ausnehmungen 105, 106 (in Querrichtung und in Umfangsπchtung) im Hinblick auf eine auf kurzem Wege erfolgende Ableitung der Sensorsignale (beispielsweise über entsprechende Signalleitungen) aus dem Lagerring 103 heraus von Vorteil ist
Um eine möglichst geringe mechanische Schwächung des Messlagers gegenüber einem entsprechenden Standardlager zu erzielen ist weiterhin die Tiefe der jeweiligen Ausnehmung 105, 106 begrenzt Hierzu weisen die erste Ausnehmung 105 und die zweite Ausnehmung 106 in der Hauptstutzrichtung (z-Richtung in Figur 1) eine Tiefenabmessung t auf, wobei die Tiefenabmessung t etwa 50% der Dickenabmessung d des Lagerπngs 103 betragt
Um auch über die dritte Nut 109 wieder eine möglichst geringe lokale Schwächung des ersten Lagerπngs 103 zu erzielen, sind die erste Ausnehmung 105 und die dritte Nut 109 zueinander in der Umfangsnchtung U um einen dritten Umfangswinkel α3 beabstandet angeordnet (wie dies in der Abwicklung aus Figur 2 durch die Lange r α3 repräsentiert ist), der 150% des zweiten Umfangswmkels α2 betragt
Durch die Gesamtzahl der Messebenen, von deren Dehnungsmessstreifen die Signale simultan registriert werden, wird aus der Lagerkraftmessungen über den jeweiligen Umfang eine Messung der Lastzonen gewonnen Für die Auswertung können die Messdaten jedes Messkreises durch die Verarbeitungseinheit 1 12 2 auf einen Referenzwinkel „zurück gedreht" werden
In einer weiteren Ausfuhrungsform können Nuten mit Dehnungsmessstreifen an der Stirnwand des Lagers 101 angeordnet werden, um (auch) die Langskrafte an dem Lager 101 zu erfassen
Zweites Ausfuhrungsbeispiel
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figur 4 einen weiteres bevorzugtes
Ausfuhrungsbeispie! des erfindungsgemaßen Messlagers 201 beschrieben Das Messlager 201 entspricht in seinem Aufbau und seiner Funktionsweise weit gehend dem Messlager 101 , sodass hier lediglich auf die Unterschiede eingegangen werden soll Insbesondere sind gleichartige Komponenten mit um den Wert 100 erhöhten Bezugszeichen versehen Sofern nachfolgend keine anderweitige Beschreibung erfolgt, wird hinsichtlich dieser Komponenten auf die obigen Ausfuhrungen zum ersten Ausfuhrungsbeispiel verwiesen Der einzige Unterschied zu dem Messlager 101 aus Figur 1 besteht darin, dass das Messlager 201 nicht als Zylinderrollenlager sondern als Kegelrollenlager ausgeführt ist. Hierbei sind die erste Ausnehmung 205 und die zweite Ausnehmung 206 (mit dem jeweiligen Ringkanal 207 bzw. 208 und der jeweiligen Sensoreinrichtung 210 bzw. 211) so angeordnet, dass ihre Längsachsen parallel zu Hauptstützrichtung H verlaufen, die senkrecht zur Lauffläche der 203.1 der Zylinderrollen 204 auf dem Innenring 203 ausgerichtet ist.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend ausschließlich anhand von Beispielen beschrieben, bei denen die Sensoreinrichtungen im innenring des Messlagers angeordnet sind. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung zusätzlich oder alternativ auch Sensoreinrichtungen im Außenring des Messlagers angeordnet sein können.
Weiterhin wurde die vorliegende Erfindung vorstehend ausschließlich anhand von Beispielen beschrieben, bei denen das Messlager als Radiallager ausgebildet ist. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung auch bei Axiallagern eingesetzt werden kann.
Schließlich versteht es sich, dass die Erfindung nicht nur in Verbindung mit den Radsatziagern von Schienenfahrzeugen sondern auch für beliebige andere Anwendungen verwendet werden kann, bei denen eine möglichst präzise Ermittlung der tatsächlichen Belastungen eines Lagers erwünscht und von Vorteil ist. Insbesondere lässt sich die Erfindung auch für beliebige anderen Arten von Fahrzeugen (wie Land-, Luft- und Wasserfahrzeuge), beliebige mobile und stationäre Anlagen, beispielsweise Windkraftanlagen, etc. einsetzen.
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Claims

Patentansprüche
1. Messlager, insbesondere für einen Radsatz eines Schienenfahrzeugs, mit
- einer Drehachse und wenigstens einem ersten Lagerring (103; 203), wobei
- der erste Lagerring (103; 203) eine Hauptstützrichtung und eine quer zur Hauptstützrichtung verlaufende Umfangsrichtung definiert,
- der erste Lagerring (103; 203) dazu ausgebildet ist, Tragkräfte aufzunehmen, die zumindest eine Kraftkomponente in der Hauptstützrichtung aufweisen und im Betrieb über eine Mehrzahl von Wälzkörpern (104; 204) in den ersten Lagerring (103; 203) eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Lagerring (103; 203) wenigstens eine erste Ausnehmung (105; 205) aufweist, in der eine Sensoreinrichtung (110; 210) angeordnet ist, wobei
- die Sensoreinrichtung (110; 210) zum Erfassen einer für die in den ersten Lagerring (103; 203) eingeleiteten Tragkräfte repräsentativen Erfassungsgröße ausgebildet ist.
2. Messlager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- die erste Ausnehmung (105; 205) im Bereich einer Projektion eines Bewegungsraums der Wälzkörper (104; 204) entlang der Hauptstützrichtung angeordnet ist, wobei - der Bewegungsraum der Wälzkörper (104; 204) dem Toroid entspricht, das durch die im Betrieb um die Drehachse umlaufenden Wälzkörper (104; 204) definiert ist.
3. Messlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausnehmung (105; 205) zu der den Wälzkörpern (104; 204) abgewandten Seite des ersten Lagerrings (103; 203) offen ist.
4. Messlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Lagerring (103; 203) wenigstens eine zweite Ausnehmung (106; 206) aufweist, in der eine weitere Sensoreinrichtung (111 ; 211) angeordnet ist, wobei
- die weitere Sensoreinrichtung (111 ; 211) zum Erfassen einer für die in den Lagerring (103; 203) eingeleiteten Tragkräfte repräsentativen Erfassungsgröße ausgebildet ist.
5. Messlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausnehmung (105; 205) und die zweite Ausnehmung (106; 206) zueinander in der Umfangsrichtung und/oder quer zu der Umfangsrichtung beabstandet angeordnet sind.
6. Messlager nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass
- die erste Ausnehmung (105; 205) und die zweite Ausnehmung (106; 206) zueinander in der Umfangsrichtung um einen ersten Umfangswinkel beabstandet angeordnet sind,
- die Wälzkörper (104; 204) im Betrieb eine Teilung definieren, die einem zweiten Umfangswinkel entspricht, und
- der erste Umfangswinkel größer ist als der zweite Umfangswinkel
7. Messlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umfangswinkel wenigstens 110% des zweiten Umfangswinkels beträgt, vorzugsweise wenigstens 130% des zweiten Umfangswinkels beträgt, weiter vorzugsweise wenigstens 150% des zweiten Umfangswinkels beträgt.
8. Messlager nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
- die erste Ausnehmung (105; 205) und die zweite Ausnehmung (106; 206) im Bereich einer Projektion eines Bewegungsraums der Wälzkörper (104; 204) entlang der Hauptstützrichtung angeordnet ist, wobei - die erste Ausnehmung (105; 205) und die zweite Ausnehmung (106; 206) zueinander in einer quer zu der Umfangsrichtung verlaufenden Abstandsrichtung um einen Querabstand beabstandet angeordnet sind,
- der Bewegungsraum der Wälzkörper (104; 204) dem Toroid entspricht, das durch die im Betrieb um die Drehachse umiaufenden Wälzkörper (104; 204) definiert ist, und in der Abstandsrichtung eine Querabmessung aufweist, - der Querabstand 30% bis 70% der Querabmessung beträgt, vorzugsweise 40% bis 60% der Querabmessung beträgt, weiter vorzugsweise 45% bis 55% der Querabmessung beträgt.
9. Messlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die erste Ausnehmung (105; 205) in der Hauptstützrichtung eine Tiefenabmessung aufweist und
- der erste Lagerring (103; 203) in der Hauptstützrichtung eine Dickenabmessung aufweist, wobei - die Tiefenabmessung 30% bis 70% der Dickenabmessung beträgt, vorzugsweise
40% bis 60% der Dickenabmessung beträgt, weiter vorzugsweise 45% bis 55% der Dickenabmessung beträgt.
10. Messlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein in die erste Ausnehmung (105; 205) mündender Leitungskanal (107; 207) vorgesehen ist, der zum Herausführen einer mit der ersten
Sensoreinrichtung (110; 210) verbundenen Signalleitungen aus den ersten Lagerring (103; 203) ausgebildet ist.
11. Messlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Lagerring (103; 203) wenigstens eine in der Umfangsrichtung umlaufende und in die erste Ausnehmung (105; 205) mündende erste Nut (107; 207) vorgesehen ist.
12. Messlager nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine quer zu der Umfangsrichtung verlaufende weitere Nut (109) vorgesehen ist, die in die erste Nut mündet
13. Messlager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass
- die erste Ausnehmung (105; 205) und die weitere Nut (109) zueinander in der Umfangsrichtung um einen dritten Umfangswinkel beabstandet angeordnet sind,
- die Wälzkörper (104; 204) im Betrieb eine Teilung definieren, die einem zweiten Umfangswinkel entspricht, und - der dritte Umfangswinkel größer ist als der zweite Umfangswinkel, wobei
- der dritte Umfangswinkel insbesondere wenigstens 1 10% des zweiten Umfangswinkels beträgt, vorzugsweise wenigstens 130% des zweiten Umfangswinkels beträgt, weiter vorzugsweise wenigstens 150% des zweiten Umfangswinkels beträgt.
14. Messlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerring (103; 203) eine Radialrichtung definiert und die Hauptstützrichtung der Radialrichtung entspricht.
15. Messlager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Lagerring (103; 203) eine Axialrichtung definiert und in der Axialrichtung benachbart ein zweiter Lagerring (101.5) vorgesehen ist, wobei
- insbesondere zwischen den ersten Lagerring (103; 203) und dem zweiten Lagerring (101.5) ein Zwischenring (101.4) angeordnet ist.
16. Messlager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lagerring (101.5) bezüglich einer senkrecht zu der Axialrichtung verlaufenden Symmetrieebene
(101.2) symmetrisch zu dem ersten Lagerring (103; 203) ausgebildet ist.
17. Messlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Zylinderrollenlager (101) oder als Kegelrollenlager (201) ausgebildet ist.
18. Messlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerring (103; 203) einen Innenring des Messlagers bildet.
19. Messlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerring (103; 203) einen im Betrieb umlaufenden Lagerring des Messlagers bildet.
20. Messlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinrichtung (110; 210) wenigstens einen mit dem ersten
Lagerring (103; 203) verbundenen Dehnungsmessstreifen (1 10.1 , 110.2) umfasst, vorzugsweise wenigstens zwei Dehnungsmessstreifen (1 10.1 , 110.2) umfasst.
21. Messlager nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinrichtung (110; 210) zwei Dehnungsmessstreifen (110.1 , 110.2) umfasst, die in der ersten Ausnehmung (105; 205) diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
22. Messlager nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dehnungsmessstreifen (110.1 , 110.2) im Wesentlichen in der Umfangsrichtung ausgerichtet ist.
23. Messlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinrichtung (110; 210) mit einem Sender (112.1) einer Telemetrieeinrichtung (112) verbunden ist.
24. Schienenfahrzeug mit einem Messlager (101 ; 201) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
25. Verfahren zur Ermittlung der mechanischen Belastungen eines Messlagers, insbesondere für einen Radsatz eines Schienenfahrzeugs, bei dem ein Messlager verwendet wird, das - eine Drehachse und wenigstens einen ersten Lagerring (103; 203) aufweist, wobei
- der erste Lagerring (103; 203) eine Hauptstützrichtung und eine quer zur Hauptstützrichtung verlaufende Umfangsrichtung definiert,
- der erste Lagerring (103; 203) dazu ausgebildet ist, Tragkräfte aufzunehmen, die zumindest eine Kraftkomponente in der Hauptstützrichtung aufweisen und im Betrieb über eine Mehrzahl von Wälzkörpern (104; 204) in den ersten Lagerring
(103; 203) eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass
- durch eine erste Sensoreinrichtung (110; 210) im Betrieb eine für die in den Lagerring (103; 203) eingeleiteten Tragkräfte repräsentative Erfassungsgröße erfasst und in Form von ersten Messsignalen ausgegeben wird, wobei die erste
Sensoreinrichtung (110; 210) in einer ersten Ausnehmung (105; 205) des ersten Lagerrings (103; 203) angeordnet ist, und
- die ersten Messsignale der ersten Sensoreinrichtung (1 10; 210) zur Ermittlung der mechanischen Belastungen verwendet werden.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass
- durch eine zweite Sensoreinrichtung (111 ; 211) im Betrieb eine für die in den Lagerring (103; 203) eingeleiteten Tragkräfte repräsentative Erfassungsgröße erfasst und in Form von zweiten Messsignalen ausgegeben wird, wobei die zweite Sensoreinrichtung (1 11 ; 21 1) in einer zweiten Ausnehmung (106; 206) des ersten Lagerrings (103; 203) angeordnet ist, und
- die zweiten Messsignale der zweiten Sensoreinrichtung (111 ; 211 ) zur Ermittlung der mechanischen Belastungen verwendet werden.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Lagerring (103; 203) eine Axialrichtung definiert und in der Axialrichtung benachbart ein zweiter Lagerring (101.5) vorgesehen ist, und
- durch wenigstens eine dritte Sensoreinrichtung im Betrieb eine für die in den zweiten Lagerring (101.5) eingeleiteten Tragkräfte repräsentative Erfassungsgröße erfasst und in Form von dritten Messsignalen ausgegeben wird, wobei die dritte Sensoreinrichtung in einer zweiten Ausnehmung des zweiten Lagerrings (101.5) angeordnet ist, und
- die dritten Messsignaie der dritten Sensoreinrichtung zur Ermittlung der mechanischen Belastungen verwendet werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinrichtung (110; 210) wenigstens einen mit dem ersten Lagerring (103;
203) verbundenen Dehnungsmessstreifen (110.1 ; 110.2) umfasst, vorzugsweise wenigstens zwei Dehnungsmessstreifen (110.1 ; 110.2) umfasst.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinrichtung (1 10; 210) zwei Dehnungsmessstreifen (110; 210) umfasst, die in der ersten Ausnehmung (105; 205) diametral gegenüberliegend angeordnet sind und die ersten Messsignale erzeugen.
30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dehnungsmessstreifen (1 10.1 ; 110.2) im Wesentlichen in der Umfangsrichtung ausgerichtet ist.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Messsignale der ersten Sensoreinrichtung (110; 210) über einen Sender (112.1) einer Telemetrieeinrichtung (112) an eine Auswertungseinheit (112.2) der Telemetrieeinrichtung (112) gesandt werden.
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