WO2014154442A1 - Lagerungsvorrichtung zum lagern eines ersten bauteils an einem zweiten bauteil sowie verfahren zum erfassen von auf ein lagerelement wirkenden belastungen - Google Patents

Lagerungsvorrichtung zum lagern eines ersten bauteils an einem zweiten bauteil sowie verfahren zum erfassen von auf ein lagerelement wirkenden belastungen Download PDF

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WO2014154442A1
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bearing
component
storage device
loads
rolling
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PCT/EP2014/053958
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Carl Udo Maier
Jochen Ostermaier
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
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    • 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
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/22—Internal combustion engines
    • 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
    • F16C9/00—Bearings for crankshafts or connecting-rods; Attachment of connecting-rods
    • F16C9/02—Crankshaft bearings

Definitions

  • Storage device for storing a first component on a second component and method for detecting loads acting on a bearing element
  • the invention relates to a storage device for storing a first component on a second component according to the preamble of patent claim 1 and to a method for detecting loads acting on a bearing element.
  • Storage devices are well known from the general state of the art, for example, from mass-produced vehicles.
  • a storage device serves for storing a first component on a second component, for example of a motor vehicle.
  • the storage device comprises at least one bearing element, by means of which the first component is movably supported or mounted on the second component relative to the second component.
  • the first component is translational and / or rotational, relative to the second component. rotatable about a rotation axis.
  • the bearing element provides for the movement of the first component relative to the second component for a low-friction movement, so that the first component particularly simple, i. can be moved with the expenditure of only a very small amount of energy.
  • the friction between the components can thus be kept low, so that there is no or only a slight evolution of heat during the relative movement.
  • the bearing element is, for example, a plain bearing element, which comprises, for example, two plain bearing shells. Furthermore, the bearing element can also be a rolling bearing with rolling elements. Such bearing elements are used in particular when a shaft is mounted on a corresponding component, for example in the form of a crankcase of a reciprocating internal combustion engine. Such bearing elements are subject to mechanical forces and / or other loads, which lead to aging and wear of the bearing element. In the course of constructive design of the storage device, appropriate and based on empirical formulas calculations are performed to calculate or estimate the life of the bearing element. These calculations are based on expected loads and, in particular, load collectives. Whether the bearing element in practice then actually reaches the calculated life depends heavily on the actual loads and thus on the actual conditions of use. This can lead to loads that were not necessarily taken into account during the calculation. Dirty ambient conditions, high operating temperatures and the penetration of foreign substances lead to a particularly high bearing load, which was not necessarily considered before. It is therefore an object of the present invention to provide a plain bearing element, which comprises,
  • a first aspect of the invention relates to a
  • Bearing device for supporting a first component on a second component, with at least one bearing element, by means of which the first component is to be mounted on the second component relative to this movable.
  • the storage device comprises at least one magnetoelastic sensor for detecting loads acting on the bearing element.
  • at least one sensor is used whose operating principle is based on the magnetoelastic principle or on the magnetoelastic effect.
  • Consequential damage such as damage to the components can be avoided.
  • acting loads can be an example emanating from the sensor influencing the bearing element and the
  • Storage device can be avoided altogether.
  • the use of the magnetoelastic sensor and the contactless detection of the loads compared to a storage device, in which such a contactless sensor is not used does not lead to a change of the storage conditions, so that by means of the storage device a particularly advantageous and in particular low-friction storage of the components
  • the use of the magnetoelastic sensor does not increase the load to be detected by the sensor compared to a storage device without such a sensor.
  • the loads in particular in the form of mechanical force, in a particularly space-saving manner by means of at least one
  • magnetoelastic sensor As a result, the space requirement of the storage device can be kept very low overall.
  • the storage device is adapted to rotatably support the first component on the second component about an axis of rotation relative to the second component.
  • the first component is supported by the bearing element about a rotation axis relative to the second component rotatably mounted on the second component or to store. It includes the
  • Storage device at least three evenly distributed in the direction of rotation of the first component about the axis of rotation
  • magnetoelastic sensors for detecting on _.
  • the bearing element acting loads For example, if exactly three magnetoelastic sensors are provided, they are spaced apart in pairs in the direction of rotation by 120 °. This makes it possible to provide a radial force distribution, i. To determine the distribution of forces acting in the radial direction and thus perpendicular to the axis of rotation and thus
  • Information can then be used, for example, to adjust the bearing of the first component on the second component accordingly, in order to avoid locally acting on the bearing element load peaks.
  • the at least one magnetoelastic sensor is particularly well suited to detect loads acting on a roller bearing as the bearing element. In other words, it is in a particularly advantageous embodiment of the
  • the bearing element is designed as a rolling bearing with rolling elements.
  • the detection of actually acting on a rolling bearing loads is special
  • the rolling bearing allows a particularly low-friction bearing of the first component on the second component, but also in particular compared to plain bearings has a high maintenance requirement or compared to
  • Magnetoelastic sensor possible, by appropriate
  • the determined number can with a target number be compared, so that on the basis of this comparison, for example, it can be deduced whether it has come to a loss of a rolling element.
  • Characterizing voltage signal compared to a desired signal, wherein the desired signal characterizes an undamaged desired state of the rolling elements. Based on the comparison deviations from the desired state can be determined and optionally assigned to the individual rolling elements.
  • This deviation may also be related to the operating time in
  • Ratio can be set so that it can be determined in which time it came to the change.
  • the extent of the change can be determined, so that as a result a degree of wear for the individual rolling elements can be determined. This amount of wear characterizes how much the rolling elements are loaded or in what time the rolling elements have changed as much. The change in the rolling elements is therefore not only qualitatively but also quantitatively determined.
  • the rolling bearing comprises a bearing cage, by means of which the rolling bodies are spaced from each other.
  • the individual rolling elements by means of at least one
  • Magnetoelastic sensor to capture precise. To prevent the determination of the state of
  • Rolling elements i. the detection of the rolling elements
  • the bearing cage is formed of a non-ferromagnetic material.
  • Bearing ring comprises, on which the rolling elements at a
  • the magnetoelastic sensor comprises at least one coil element with a coil and at least partially disposed in the coil core element, which is arranged in at least partially covering the bearing rings.
  • the core element has a U-shape with two connected via a web of the U-shape legs, said
  • Storage rings are arranged.
  • the legs connect to the bearing rings, wherein the legs can be arranged spaced from the bearing rings. In this way, it is also possible to detect the loads acting on the bearing element particularly precisely.
  • the core element comprises the bearing rings.
  • the bearing rings are used at least as part of the core element and thus to guide caused by the magnetoelastic sensor magnetic field lines. This makes it possible an optionally provided in addition to the bearing rings core part of the core element at least substantially
  • the core part is arranged at least in a partial area in the coil. Furthermore, the core part is arranged in each case in at least partial overlap with the bearing rings. This makes a particularly compact design can be displayed.
  • a particularly compact design can be realized if the magnetoelastic sensor is arranged in the radial direction of the roller bearing at least in regions between the bearing rings.
  • the magnetoelastic sensor comprises a plurality of spaced-apart coils, wherein at least one of the coils as a transmitting coil for generating a magnetic field and
  • At least one other of the coils as a receiving coil for
  • Detecting the magnetic field is formed.
  • at least two of the coils are designed as receiving coils. This makes it possible to detect loads acting on the bearing element at two different and spaced apart locations of the bearing element, for example, the rolling elements, so as to obtain particularly precise statements about the loading of the bearing element
  • a second aspect of the invention relates to a method for detecting at least one bearing element of a
  • the bearing element is used to move under the mediation of the first component to the second component relative to the second component movable to store.
  • the storage device according to the invention can be used.
  • Embodiments of the storage device according to the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the method according to the invention and vice versa.
  • Detected bearing element loads and compared, for example, with an expected desired state, and then to be able to adapt as a result, for example, a maintenance strategy for the bearing element to the actual loads occurring.
  • Component is to be stored relative to this movable, wherein at least one magnetoelastic sensor for detecting acting on the bearing element
  • Loads characterizing stress signals wherein one of the load signals a
  • FIG. 1 shows a whole designated 10
  • the first component 12 is a shaft which is mounted rotatably on the second component 14 so as to be rotatable about an axis of rotation 16 relative to the second component 14.
  • Shaft can be an output shaft of an aggregate.
  • the shaft is formed for example as a crankshaft of a reciprocating internal combustion engine.
  • Component 14 may be a housing of the unit, in particular a crankcase of the reciprocating internal combustion engine.
  • the storage device 10 comprises at least one
  • Bearing element in the form of a rolling bearing 18, under whose
  • the first component 12 is rotatably mounted on the second component 14 about the axis of rotation 16 relative to the second component 14. To realize a rigid storage of the first
  • Component 12 on the second component 14 is preferably
  • the storage device 10 at least one further, spaced from the roller bearing 18 arranged
  • bearing element in particular in the form of another rolling bearing.
  • the rolling bearing 18 comprises a bearing outer ring 20, which is received in a bearing receptacle 23 of the second component 14.
  • the bearing outer ring 20 is connected, for example by a press fit with the second component 14.
  • the roller bearing 18 furthermore comprises a bearing inner ring 22 which corresponds to the bearing outer ring 20 and at least partially covers the bearing outer ring 20 inwardly in the radial direction of the roller bearing 18 and in an outer peripheral portion 24 of the first component 12 this is arranged.
  • the bearing inner ring 22 is connected, for example by means of a press fit with the first component 12.
  • the roller bearing 18 also includes a plurality of rolling elements 26, which are arranged in succession around the axis of rotation 16 extending circumferential direction of the rolling bearing 18 and over which the bearing inner ring 22 can be supported on the bearing outer ring 20 and vice versa.
  • the rolling elements 26 are presently designed as a cylinder, so that the rolling bearing 18 is designed as a cylindrical roller bearing.
  • the roller bearing 18 designed beforehand and below as a cylindrical roller bearing may also be readily transferred to other types of roller bearings.
  • the use of ball roller bearings is conceivable.
  • the bearing device 10 is adapted within the scope of its structural design to expected occurring and acting on the roller bearing 18 loads, in particular with respect to the dimensions of the roller bearing 18 adapted ,
  • the expected occurring loads are based on at least one corresponding calculation method.
  • the loads actually occurring during operation and acting on the roller bearing 18 are illustrated in FIG. These actually acting loads may differ from the expected loads that are the basis for the design and, for example, greater than the expected loads occurring so that the rolling bearing 18 is actually loaded stronger than expected.
  • the bearing device 10 comprises at least one magnetoelastic sensor 28.
  • the magnetoelastic sensor 28 is in the radial direction of the rolling bearing 18 disposed between the bearing inner ring 22 and the bearing outer ring 20.
  • the magnetoelastic sensor 28 in the radial direction inwards at least partially and in the present case completely by the bearing inner ring 22 and in the radial direction outwards at least partially and in the present case completely covered by the bearing outer ring 20.
  • the magnetoelastic sensor 28 is at least partially and in the present case completely at least temporarily covered by the respective rolling elements 26 in the axial direction. This means that the rolling elements 26 cover the magnetoelastic sensor 28 at least partially and at least when the first component 12 rotates relative to the second component 14 about the axis of rotation 16, wherein the rolling elements 26 at respective running surfaces 30, 32 of Lagerau touch- ring 20th or the bearing inner ring 22 roll off.
  • the arrangement of the magnetoelastic sensor 28 between the bearing inner ring 22 and the bearing outer ring 20 has a particularly compact construction.
  • the magnetoelastic sensor 28 enables a non-contact detection of the loads acting on the roller bearing 18 relative to the roller bearing 18. Holes, milling and / or other processing of the bearing inner ring 22 and the bearing outer ring 20 and associated, mechanical weakening of these can be avoided. In other words, the detection of the loads realized by means of the magnetoelastic sensor 28 does not affect the storage conditions for the components 12, 14. A deterioration of the service life of the rolling bearing 18 can also be avoided.
  • the magnetoelastic sensor 28 is arranged in the axial direction on an end face of the respective rolling elements 26. If, for example, balls are used as rolling bodies 26, then it is possible to position the magnetoelastic sensor 28 perpendicular to the rolling movement on a respective spherical surface. Thus, force effects occurring perpendicular to the roll axis coinciding with the axis of rotation 16 can be detected directly.
  • the storage device 10 according to the second embodiment comprises three magnetoelastic sensors 28 for detecting loads acting on the roller bearing 18 and in particular the rolling bodies 26. These are at least substantially perpendicular to the rotary axis 16 acting loads are shown in FIG 2 on the basis of
  • the forces or loads acting on the rolling bearing 18 can also have other force components that are not perpendicular to the axis of rotation 16.
  • the magnetoelastic sensors 28 are arranged distributed uniformly in the direction of rotation of the first component 12 about the axis of rotation 16 relative to the second component 14. Since three magnetoelastic sensors are used in the bearing apparatus 10 according to the second embodiment, the magnetoelastic sensors 28 are spaced apart in pairs by 120 °. This makes it possible to determine in the circumferential direction of the roller bearing 18 over the entire roller bearing a distribution of the forces acting on the roller bearing 18 loads or forces. In particular, this makes it possible to determine points at which higher loads act on the rolling bearing 18 in comparison to different points. In other words, it is thereby possible to determine local load peaks so that the storage device 10 or the mounting of the first component 12 on the second component 14 can be adjusted overall such that such local load peaks are avoided.
  • balls 26 are used as rolling elements, which roll on rotation of the first component 12 relative to the second component 14 about the axis of rotation 16 on the one hand on the running surface 30 of the bearing outer ring 20 and on the other hand on the running surface 32 of the bearing inner ring 22.
  • the rolling bearing 18 may comprise at least one bearing cage, not shown in FIGS. 1 and 2, by means of which the rolling elements 26 are spaced apart in the circumferential direction, ie in the direction of rotation of the roller bearing 18.
  • the bearing cage is formed from a non-ferromagnetic material, so as by means of at least one magnetoelastic Sensor 28 caused detection of the forces acting on the roller bearing 18 loads.
  • FIG. 3 shows two diagrams 34, 36, on whose respective abscissa 38 the time t is plotted.
  • the load applied by means of the at least one magnetoelastic sensor 28 and acting on the roller bearing 18 is plotted.
  • a time course 42, 44 of a load signal is entered.
  • the load signal characterizes the loads detected by means of the at least one magnetoelastic sensor 28 and thus actually acting on the roller bearing 18 and in particular on the rolling elements 26.
  • the temporal course 42 of the load signal characterizes an undamaged desired state of the rolling elements 26.
  • the time profile 42 has a waveform, wave peaks 46, 48, 50, 52 of the waveform each having one of the rolling elements 26 correspond.
  • the wave crest 46 characterizes a first of the rolling bodies 26, the wave crest 48 a second of the rolling bodies 26, the wave crest 50 a third of the rolling bodies 26 and the wave crest 52 a fourth of the rolling bodies 26, in particular with regard to the respective state of the associated rolling body 26 characterized.
  • the time profile 44 of the load signal characterizes a state deviating from the desired state of the roller bearing 18 and, in particular, the rolling elements 26, which the rolling elements 26, for example, after a long service life
  • the wave peaks 46, 50, 52, the first rolling element, the third rolling element and the fourth rolling element are undamaged. This is the case, since the wave peaks 46, 50, 52 of the time course 44 with the Wave peaks 46, 50, 52 of the time course 42 at least substantially coincide.
  • the wave peak 48 of the time course 44 deviates significantly from the wave peak 48 of the time course 42. Due to this significant deviation, it can be concluded that the second rolling element is damaged.
  • the roller bearing 18 can be used, for example, for a period of time. Alternatively, an exchange or repair of the rolling bearing 18 may be required.
  • the magnetoelastic sensor 28 comprises a coil element 56 with a coil 58 and a core element 60, which is arranged in a partial region 62 of the core element 60 within the coil 58.
  • the core element 60 has a U-shape with two spaced-apart and interconnected via a web 64 of the U-shape legs 66, 68, wherein the legs 66, 68 arranged in at least partially covering the bearing inner ring 22 and the bearing outer ring 20 and of these are spaced.
  • the limb 66 adjoins the bearing inner ring 22 in the axial direction so that the bearing inner ring 22 is at least partially covered by the limb 66 in the axial direction.
  • the leg 68 adjoins the bearing outer ring 20 in the axial direction, so that the bearing outer ring 20 is at least partially covered by the leg 68 in the axial direction.
  • the web 64 of the U-shape is at least partially and in the present case at least predominantly received in the coil 58. This allows a particularly simple structure.
  • the core element 56 now comprises an at least substantially rod-shaped core part 70, which is received in a portion 62 of the core part 70 in the coil 58 and arranged in at least partially overlapping with the bearing outer ring 20 and the bearing inner ring 22.
  • the core member 56 includes the bearing inner ring 22 and the bearing outer ring 20.
  • the bearing inner ring 22 and the outer bearing ring 20 are used as further core portions of the core member 56 to guide a magnetic flux or magnetic field lines caused by the magnetoelastic sensor 28 ,
  • bearing cage 54 Since the bearing cage 54 is formed of a non-ferromagnetic material, it does not affect this guide.
  • the magnetic field lines are guided via the respective rolling elements 26.
  • FIGS. 6 and 7 show the storage device 10 according to a fifth embodiment.
  • the rolling bearing 18 and in particular of the rolling elements 26, which are of the order of magnitude of a sensor head of the magnetoelastic sensor 28 it is possible to measure force distributions on the rolling elements 26 such that receiving coils of the magnetoelastic sensor 28 on the rolling elements 26 be positioned, with a transmitting coil is axially symmetrical on the front side.
  • the magnetoelastic sensor 28 has a plurality of spaced-apart coils 72, 74, 76 in which respective core portions 78, 80, 82 of the core member 56 are arranged.
  • the coils 72, 76 are formed as receiving coils through which the rolling elements 26 are at least temporarily covered in the axial direction. By means of the receiving coils, the forces acting on the rolling bearing 18 and in particular the rolling elements 26 are detected. Through the receiver coils and the corresponding renden core areas 78, 82 thus the sensor heads of the magnetoelastic sensor 28 are formed.
  • the coil 74 is designed as a transmitting coil, by means of which a magnetic field can be generated.
  • the magnetic field can be detected by means of the receiver coils.
  • the magnetic field is illustrated in FIG. 7 on the basis of the magnetic field lines denoted by 84 there.
  • the magnetic field line profile can be seen from FIG. 7, with the magnetic field lines 84 starting from the transmitting coil and the core region 80 corresponding thereto via the first component 12 and the rolling elements 26 and from these to the respective receiving coil and the corresponding core regions 78, 82 and back to the transmitting coil with the corresponding core region 80 run.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagerungsvorrichtung (10) zum Lagern eines ersten Bauteils (12) an einem zweiten Bauteil (14), mit wenigstens einem Lagerelement (18), unter dessen Vermittlung das erste Bauteil (12) an dem zweiten Bauteil (14) relativ zu diesem bewegbar zu lagern ist, wobei die Lagerungsvorrichtung (10) wenigstens einen magnetoelastischen Sensor (28) zum Erfassen von auf das Lagerelement (18) wirkenden Belastungen umfasst, sowie ein Verfahren zum Erfassen von auf ein Lagerelement (18) wirkenden Belastungen (F).

Description

Beschreibung
Lagerungsvorrichtung zum Lagern eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil sowie Verfahren zum Erfassen von auf ein Lagerelement wirkenden Belastungen
Die Erfindung betrifft eine Lagerungsvorrichtung zum Lagern eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Er- fassen von auf ein Lagerelement wirkenden Belastungen.
Lagerungsvorrichtungen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik, beispielsweise aus dem Serienfahrzeugbau, hinlänglich bekannt. Eine solche Lagerungsvorrichtung dient zum La- gern eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil, beispielsweise eines Kraftwagens. Hierzu umfasst die Lagerungsvorrichtung wenigstens ein Lagerelement, unter dessen Vermittlung das erste Bauteil an dem zweiten Bauteil relativ zum zweiten Bauteil bewegbar zu lagern bzw. gelagert ist. Das erste Bauteil ist dabei beispielsweise relativ zum zweiten Bauteil translatorisch und/oder rotatorisch, d.h. um eine Drehachse drehbar. Das Lagerelement sorgt bei der Bewegung des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil für eine reibungsarme Bewegung, so dass das erste Bauteil besonders ein- fach, d.h. unter Aufwendung einer nur sehr geringen Energiemenge, bewegt werden kann. Mittels des Lagerelements kann somit die Reibung zwischen den Bauteilen gering gehalten werden, so dass es bei der Relativbewegung zu keiner oder nur zu einer geringfügigen Wärmeentwicklung kommt .
Bei dem Lagerelement handelt es sich beispielsweise um ein Gleitlagerelement, welches beispielsweise zwei Gleitlagerschalen umfasst. Ferner kann es sich bei dem Lagerelement auch um ein Wälzlager mit Wälzkörpern handeln. Derartige La- gerelemente kommen insbesondere bei der Lagerung einer Welle an einem korrespondierenden Bauteil, beispielsweise in Form eines Kurbelgehäuses einer Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine zum Einsatz . Derartige Lagerelemente unterliegen dabei mechanischen Krafteinwirkungen und/oder anderen Belastungen, welche zur Alterung und Verschleiß des Lagerelements führen. Im Zuge der konstruktiven Auslegung der Lagerungsvorrichtung werden entsprechende und auf empirischen Formeln basierende Berechnungen durchgeführt, um die Lebensdauer des Lagerelements zu berechnen oder abzuschätzen. Diesen Berechnungen werden erwartete Belastungen und insbesondere Belastungskollektive zu- gründe gelegt. Ob das Lagerelement in der Praxis dann auch tatsächlich die berechnete Lebensdauer erreicht, hängt stark von den tatsächlich auftretenden Belastungen und somit von den tatsächlichen Einsatzbedingungen ab. Hierbei kann es zu Belastungen kommen, die während der Berechnung nicht unbe- dingt berücksichtigt wurden. Schmutzige Umgebungsbedingungen, hohe Betriebstemperaturen sowie das Eindringen von Fremdstoffen führen zu einer besonders hohen Lagerbelastung, welche vorher nicht notwendigerweise berücksichtigt wurde. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Lagerungsvorrichtung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Erfassen von auf wenigstens ein Lagerelement wirkenden Belastungen bereitzustellen, mittels welchen sich eine besonders einfache und effektive Überwachung des
wenigstens einen Lagerelements realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Lagerungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben .
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine
Lagerungsvorrichtung zum Lagern eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil, mit wenigstens einem Lagerelement, unter dessen Vermittlung das erste Bauteil an dem zweiten Bauteil relativ zu diesem bewegbar zu lagern ist. Zur Realisierung einer besonders einfachen und besonders effektiven Überwachung des Lagerelements ist es
erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Lagerungsvorrichtung wenigstens einen magnetoelastischen Sensor zum Erfassen von auf das Lagerelement wirkenden Belastungen umfasst. Mit anderen Worten wird wenigstens ein Sensor verwendet, dessen Funktionsprinzip auf dem magnetoelastischen Prinzip bzw. auf dem magnetoelastischen Effekt beruht. Dadurch ist eine zumindest bezogen auf das Lagerelement kontaktlose oder berührungslose Erfassung der auf das Lagerelement wirkenden Belastungen möglich.
In der Folge können die tatsächlich während des Betriebs des Lagerelements auftretenden Belastungen erfasst werden.
Dadurch können auch solche Belastungen detektiert werden, welche beispielsweise bei einer konstruktiven Auslegung des Lagerelements und einer damit einhergehenden Berechnung nicht berücksichtigt wurden. Somit ist es ferner möglich, das
Lagerelement zustandsorientiert und bedarfsgerecht zu warten und/oder zu reparieren und/oder auszutauschen, und zwar bevor es zu einem Versagen des Lagerelements infolge von unerwartet auftretenden Belastungen kommt . Dadurch können auch
Folgeschäden wie beispielsweise Beschädigungen der Bauteile vermieden werden.
Wird mittels des magnetoelastischen Sensors beispielsweise erfasst, dass die tatsächlich auf das Lagerelement wirkenden Belastungen höher als die berechneten Belastungen sind, so kann eine Wartungsstrategie derart angepasst werden, dass das Lagerelement häufiger gewartet und/oder beispielsweise mit einer höheren Menge an Schmiermittel versorgt wird als es bei demgegenüber geringeren Belastungen der Fall wäre. Wird beispielsweise mittels des magnetoelastischen Sensors
erfasst, dass es gegenüber den berechneten Belastungen tatsächlich zu geringeren Belastungen des Lagerelements kommt, so kann die Wartungsstrategie derart angepasst werden, dass das Lagerelement weniger oft gewartet wird und/oder mit einer geringeren Menge an Schmiermittel versorgt wird als es bei demgegenüber höheren Belastungen der Fall gewesen wäre. Hierdurch ist eine bedarfsgerechte und kostengünstige Wartung des Lagerelements über dessen Lebensdauer realisierbar.
Infolge der berührungslosen Erfassung der tatsächlich
wirkenden Belastungen kann eine beispielsweise vom Sensor ausgehende Beeinflussung des Lagerelements und der
Lagerungsvorrichtung insgesamt vermieden werden. Mit anderen Worten führt die Verwendung des magnetoelastischen Sensors und die dadurch realisierte, berührungslose Erfassung der Belastungen gegenüber einer Lagerungsvorrichtung, bei welcher ein solcher berührungsloser Sensor nicht verwendet wird, nicht zur Veränderung der Lagerungsbedingungen, so dass mittels der Lagerungsvorrichtung eine besonders vorteilhafte und insbesondere reibungsarme Lagerung der Bauteile
realisierbar ist. Insbesondere führt die Verwendung des magnetoelastischen Sensors nicht zu einer Erhöhung der durch den Sensor zu erfassenden Belastungen im Vergleich zu einer Lagerungseinrichtung ohne einen solchen Sensor.
Darüber hinaus ist es möglich, die Belastungen, insbesondere in Form von mechanischen Kraftbeanspruchungen, auf besonders bauraumgünstige Weise mittels des wenigstens einen
magnetoelastischen Sensors zu ermitteln. Dadurch kann der Bauraumbedarf der Lagerungsvorrichtung insgesamt besonders gering gehalten werden.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Lagerungsvorrichtung dazu ausgelegt, das erste Bauteil am zweiten Bauteil um eine Drehachse relativ zu dem zweiten Bauteil drehbar zu lagern. Mit anderen Worten ist das erste Bauteil unter Vermittlung des Lagerelements um eine Drehachse relativ zu dem zweiten Bauteil drehbar am zweiten Bauteil gelagert bzw. zu lagern. Dabei umfasst die
Lagerungsvorrichtung wenigstens drei in Drehrichtung des ersten Bauteils um die Drehachse gleichmäßig verteilt
angeordnete magnetoelastische Sensoren zum Erfassen von auf _.
das Lagerelement wirkenden Belastungen. Sind beispielsweise genau drei magnetoelastische Sensoren vorgesehen, so sind diese paarweise in Drehrichtung 120° voneinander beabstandet. Hierdurch ist es möglich, eine radiale Kraftverteilung, d.h. die Verteilung von in radialer Richtung und somit senkrecht zur Drehachse wirkenden Kräften zu bestimmen und somit
Krafteinwirkungen bzw. Stellen des Lagerelements, an denen besonders hohe Belastungen auf das Lagerelement wirken, zu ermitteln. Diese Ermittlung kann beispielsweise dazu
verwendet werden, Lagerungs- und Betriebsbedingungen der Bauteile zu bestimmen und somit Rückschlüsse auf ein
vorliegendes Lastkollektiv ziehen zu können. Diese
Informationen können beispielsweise dann dazu verwendet werden, die Lagerung des ersten Bauteils am zweiten Bauteil entsprechend anzupassen, um lokal auf das Lagerelement wirkende Belastungsspitzen zu vermeiden.
Der wenigstens eine magnetoelastische Sensor eignet sich besonders gut, um auf ein Wälzlager als das Lagerelement wirkende Belastungen zu erfassen. Mit anderen Worten ist es bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung vorgesehen, dass das Lagerelement als Wälzlager mit Wälzkörpern ausgebildet ist. Die Erfassung von tatsächlich auf ein Wälzlager wirkenden Belastungen ist besonders
wichtig, da das Wälzlager zwar eine besonders reibungsarme Lagerung des ersten Bauteils am zweiten Bauteil ermöglicht, jedoch auch insbesondere im Vergleich zu Gleitlagern einen hohen Wartungsbedarf aufweist bzw. im Vergleich zu
Gleitlagerelementen anfälliger gegenüber unerwartet
auftretenden Belastungen ist.
Darüber hinaus ist es mittels des wenigstens einen
magnetoelastischen Sensors möglich, durch entsprechende
Kalibrierung des wenigstens einen magnetoelastischen Sensors oder eines den wenigsten einen magnetoelastischen Sensor umfassenden Messsystems die Wälzkörper des Wälzlagers zu zählen, d.h. die Anzahl an Wälzkörpern des Wälzlagers zu ermitteln. Die ermittelte Anzahl kann mit einer Soll-Anzahl verglichen werden, so dass anhand dieses Vergleichs beispielsweise darauf rückgeschlossen werden kann, ob es zu einem Verlust eines Wälzkörpers gekommen ist. Ferner ist es möglich, die Wälzkörper zu identifizieren und/oder die
Drehzahl der Wälzkörper und somit des sich um die Drehachse relativ zum zweiten Bauteil drehenden, ersten Bauteils zu ermitteln .
Außerdem ist es möglich, etwaige, während der Betriebsdauer auftretende Veränderungen an einzelnen Wälzkörpern zu
bestimmen und beispielsweise durch entsprechende Software- Algorithmen Vorhersagen über ihre Lebensdauer, d.h. über ihre zukünftige Entwicklung, zu treffen. Beispielsweise ermöglicht eine zeitaufgelöste Messung von inneren mechanischen
Spannungen der Wälzkörper, die einzelnen Wälzkörper mit mechanischen Veränderungen zu detektieren. Dazu wird
beispielsweise ein die mechanischen Spannungen
charakterisierendes Spannungssignal mit einem Soll-Signal verglichen, wobei das Soll-Signal einen unbeschädigten Soll- Zustand der Wälzkörper charakterisiert. Anhand des Vergleichs können Abweichungen von dem Soll-Zustand ermittelt und gegebenenfalls den einzelnen Wälzkörpern zugeordnet werden.
Diese Abweichung kann ferner mit der Betriebsdauer in
Verhältnis gesetzt werden, so dass dadurch ermittelt werden kann, in welcher Zeit es zu der Veränderung gekommen ist. Darüber hinaus kann das Maß der Veränderung ermittelt werden, so dass in der Folge ein Verschleißmaß für die einzelnen Wälzkörper ermittelt werden kann. Dieses Verschleißmaß charakterisiert, wie stark die Wälzkörper belastet werden bzw. in welcher Zeit sich die Wälzkörper wie stark verändert haben. Die Veränderung der Wälzkörper ist somit nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ ermittelbar. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung umfasst das Wälzlager einen Lagerkäfig, mittels welchem die Wälzkörper voneinander beabstandet sind.
Hierdurch können unerwünschte Kontakte der Wälzlager vermieden werden. Darüber hinaus ist es so möglich, die einzelnen Wälzkörper mittels des wenigstens einen
magnetoelastischen Sensors präzise erfassen zu können. Um zu verhindern, dass die Ermittlung des Zustands der
Wälzkörper, d.h. die Erfassung der auf die Wälzkörper
wirkenden Belastungen nicht beeinträchtigt wird, hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Lagerkäfig aus einem nicht-ferromagnetischen Werkstoff gebildet ist.
Ein besonderer Aufbau der Lagerungsanordnung ist
realisierbar, wenn das Wälzlager einen Lageraußenring als ersten Lagerring und einen Lagerinnenring als zweiten
Lagerring umfasst, an welchen die Wälzkörper bei einer
Bewegung des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil abwälzen, wobei der magnetoelastische Sensor wenigstens ein Spulenelement mit einer Spule und einem zumindest teilweise in der Spule angeordneten Kernelement umfasst, welches in zumindest bereichsweiser Überdeckung mit den Lagerringen angeordnet ist.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Kernelement eine U-Form mit zwei über einen Steg der U-Form miteinander verbundenen Schenkeln aufweist, wobei die
Schenkel in zumindest bereichsweiser Überdeckung mit den
Lagerringen angeordnet sind. Mit anderen Worten schließen die Schenkel an die Lagerringe an, wobei die Schenkel von den Lagerringen beabstandet angeordnet sein können. Hierdurch ist es darüber hinaus möglich, die auf das Lagerelement wirkenden Belastungen besonders präzise erfassen zu können.
Um den Bauraumbedarf und das Gewicht der Lagerungsanordnung in einem besonders geringen Rahmen zu halten, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Kernelement die Lagerringe umfasst. Mit anderen Worten werden die Lagerringe zumindest als Teil des Kernelements und somit dazu genutzt, durch den magnetoelastischen Sensor bewirkte Magnetfeldlinien zu führen. Dadurch ist es möglich, ein gegebenenfalls zusätzlich zu den Lagerringen vorgesehenes Kernteil des Kernelements zumindest im Wesentlichen
stabförmig auszugestalten, wobei das Kernteil zumindest in einem Teilbereich in der Spule angeordnet ist. Ferner ist das Kernteil jeweils in zumindest teilweiser Überdeckung mit den Lagerringen angeordnet. Hierdurch ist ein besonders kompakter Aufbau darstellbar.
Ein besonders kompakter Aufbau ist realisierbar, wenn der magnetoelastische Sensor in radialer Richtung des Wälzlagers zumindest bereichsweise zwischen den Lagerringen angeordnet ist .
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst der magnetoelastische Sensor eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Spulen, wobei wenigstens eine der Spulen als Sendespule zum Erzeugen eines magnetischen Felds und
wenigstens eine andere der Spulen als Empfangsspule zum
Erfassen des magnetischen Felds ausgebildet ist. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass wenigstens zwei der Spulen als Empfangsspulen ausgebildet sind. Hierdurch ist es möglich, auf das Lagerelement wirkende Belastungen an zwei voneinander unterschiedlichen und voneinander beabstandeten Stellen des Lagerelements, beispielsweise der Wälzkörper, zu erfassen, um so besonders präzise Aussagen über die Belastung des
Lagerelements erhalten zu können.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von auf wenigstens ein Lagerelement einer
Lagerungsvorrichtung zum Lagern eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil wirkenden Belastungen. Bei dem
Verfahren wird das Lagerelement verwendet, um unter dessen Vermittlung das erste Bauteil an dem zweiten Bauteil relativ zum zweiten Bauteil bewegbar zu lagern. Mit anderen Worten kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die erfindungsgemäße Lagerungsvorrichtung verwendet werden. Bei dem Verfahren werden auf das Lagerelement wirkende
Belastungen mittels wenigstens eines magnetoelastischen
Sensors der Lagerungsvorrichtung erfasst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lagerungsvorrichtung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt .
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, auf das Lagerelement wirkende Belastungen besonders präzise und insbesondere berührungslos zu erfassen, ohne dass diese Erfassung die Lagerungsbedingungen für die Bauteile
beeinträchtigt. Darüber hinaus können tatsächlich auftretende und beispielsweise bei einer konstruktiven Auslegung der Lagerungsvorrichtung nicht berücksichtigte, auf das
Lagerelement wirkende Belastungen erfasst und beispielsweise mit einem erwarteten Soll-Zustand verglichen werden, um dann in der Folge beispielsweise eine Wartungsstrategie für das Lagerelement an die tatsächlich auftretenden Belastungen anpassen zu können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die
vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der
Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
FIG 1 ausschnittsweise eine schematische
Längsschnittansicht einer Lagerungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zum Lagern eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil, mit einem Lagerelement in Form eines Wälzlagers, unter dessen Vermittlung das erste Bauteil an dem zweiten
Bauteil relativ zu diesem bewegbar zu lagern ist, wobei wenigstens ein magnetoelastischer Sensor zum Erfassen von auf das Lagerelement wirkenden
Belastungen vorgesehen ist; eine schematische und geschnittene Vorderansicht der Lagerungsvorrichtung gemäß einer zweiten
Ausführungsforrti; zwei zeitliche Verläufe von die erfassten
Belastungen charakterisierenden Belastungssignalen, wobei eines der Belastungssignale einen
unbeschädigten Soll-Zustand des Lagerelements und das andere Belastungssignal einen davon
abweichenden Zustand des Lagerelements
charakterisiert ; ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Lagerungsvorrichtung gemäß einer dritten
Ausführungsform; ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Lagerungsvorrichtung gemäß einer vierten
Ausführungsform; ausschnittsweise eine schematische
Längsschnittansicht der Lagerungsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform; und ausschnittsweise eine schematische
Längsschnittansicht der Lagerungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform . In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. FIG 1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete
Lagerungsvorrichtung zum Lagern eines ersten Bauteils 12 an einem zweiten Bauteil 14 gemäß einer ersten Ausführungsform . Bei dem ersten Bauteil 12 handelt es sich beispielsweise um eine Welle, welche um eine Drehachse 16 relativ zum zweiten Bauteil 14 drehbar am zweiten Bauteil 14 gelagert ist. Die
Welle kann dabei eine Abtriebswelle eines Aggregats sein. Die Welle ist beispielsweise als Kurbelwelle einer Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Bei dem zweiten
Bauteil 14 kann es sich um ein Gehäuse des Aggregats, insbesondere um ein Kurbelgehäuse der Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine handeln .
Die Lagerungsvorrichtung 10 umfasst wenigstens ein
Lagerelement in Form eines Wälzlagers 18, unter dessen
Vermittlung das erste Bauteil 12 um die Drehachse 16 relativ zum zweiten Bauteil 14 drehbar am zweiten Bauteil 14 gelagert ist. Zur Realisierung einer steifen Lagerung des ersten
Bauteils 12 am zweiten Bauteil 14 ist vorzugsweise
vorgesehen, dass die Lagerungsvorrichtung 10 wenigstens ein weiteres, vom Wälzlager 18 beabstandet angeordnetes
Lagerelement insbesondere in Form eines weiteren Wälzlagers umfasst .
Das Wälzlager 18 umfasst einen Lageraußenring 20, welcher in einer Lageraufnahme 23 des zweiten Bauteils 14 aufgenommen ist. Der Lageraußenring 20 ist beispielsweise durch einen Presssitz mit dem zweiten Bauteil 14 verbunden.
Das Wälzlager 18 umfasst darüber hinaus einen mit dem Lager- außenring 20 korrespondierenden Lagerinnenring 22, welcher den Lageraußenring 20 in radialer Richtung des Wälzlagers 18 nach innen hin zumindest bereichsweise überdeckt und in einem außenumfangsseitigen Teilereich 24 des ersten Bauteils 12 auf diesem angeordnet ist. Hierbei ist der Lagerinnenring 22 beispielsweise mittels eines Presssitzes mit dem ersten Bauteil 12 verbunden. Das Wälzlager 18 umfasst auch eine Mehrzahl von Wälzkörpern 26, welche in um die Drehachse 16 verlaufender Umfangsrich- tung des Wälzlagers 18 aufeinanderfolgend angeordnet sind und über die sich der Lagerinnenring 22 am Lageraußenring 20 abstützen kann bzw. umgekehrt.
Die Wälzkörper 26 sind vorliegend als Zylinder ausgebildet, so dass das Wälzlager 18 als Zylinderrollenlager ausgebildet ist. Das zuvor und im Folgenden zum als Zylinderrollenlager ausgebildeten Wälzlager 18 kann jedoch auch ohne weiteres auf anderweitige Arten von Wälzlagern übertragen werden. Insbesondere ist die Verwendung von Kugelrollenlagern denkbar. Mittels des Wälzlagers 18 ist eine besonders reibungsarme Lagerung des ersten Bauteils 12 am zweiten Bauteil 14 realisierbar, so dass das erste Bauteil 12 mit einem nur sehr ge- ringen Energieaufwand um die Drehachse 16 relativ zum zweiten Bauteil 14 gedreht werden kann.
Zur Realisierung einer hohen Lebensdauer der Lagerungsvorrichtung 10 und somit der Lagerung des ersten Bauteils 12 am zweiten Bauteil 14 insgesamt wird die Lagerungsvorrichtung 10 im Rahmen ihrer konstruktiven Auslegung an erwartet auftretende und auf das Wälzlager 18 wirkende Belastungen insbesondere hinsichtlich der Abmessungen des Wälzlagers 18 ange- passt. Dazu werden die erwartet auftretenden Belastungen we- nigstens einer entsprechenden Berechnungsmethode zugrunde gelegt .
Anhand eines Kraftpfeils F sind in FIG 1 die während des Betriebs tatsächlich auftretenden und auf das Wälzlager 18 wir- kenden Belastungen veranschaulicht. Diese tatsächlich wirkenden Belastungen können von den der Auslegung zugrunde gelegten, erwartet auftretenden Belastungen abweichen und beispielsweise größer als die erwartet auftretenden Belastungen sein, so dass das Wälzlager 18 tatsächlich stärker als erwartet belastet wird.
Um derartige Abweichungen bzw. die tatsächliche Belastung des Wälzlagers 18 auf bauraum- und gewichtsgünstige Weise besonders präzise erfassen zu können, umfasst die Lagerungsvorrichtung 10 wenigstens einen magnetoelastischen Sensor 28. Wie aus FIG 1 erkennbar ist, ist der magnetoelastische Sensor 28 in radialer Richtung des Wälzlagers 18 zwischen dem Lager- innenring 22 und dem Lageraußenring 20 angeordnet. Mit anderen Worten wird der magnetoelastische Sensor 28 in radialer Richtung nach innen zumindest teilweise und vorliegend vollständig durch den Lagerinnenring 22 und in radialer Richtung nach außen zumindest teilweise und vorliegend vollständig durch den Lageraußenring 20 überdeckt.
Darüber hinaus wird der magnetoelastische Sensor 28 in axialer Richtung durch die jeweiligen Wälzkörper 26 zumindest teilweise und vorliegend vollständig zumindest zeitweise überdeckt. Dies bedeutet, dass die Wälzkörper 26 den magnetoelastischen Sensor 28 zumindest teilweise und zumindest dann überdecken, wenn sich das erste Bauteil 12 relativ zum zweiten Bauteil 14 um die Drehachse 16 dreht, wobei die Wälzkörper 26 an jeweiligen Laufflächen 30, 32 des Lageraußen- rings 20 bzw. des Lagerinnenrings 22 abwälzen.
Durch diese Integration des magnetoelastischen Sensors 28 in das Wälzlager 18 ist es möglich, insbesondere mechanische Beanspruchungen des Wälzlagers 18 und insbesondere der Wälzkör- per 26 zu detektieren, ohne dabei den Lageraußenring 20 oder den Lagerinnenring 22 verändern, d.h. an die Erfassung der Belastungen anpassen zu müssen. Durch die Positionierung des magnetoelastischen Sensors 28 in Rotationsrichtung des Wälzlagers 18 bzw. der Wälzkörper 26 können insbesondere senk- recht zur Drehachse 16 wirkende und durch den Kraftpfeil F veranschaulichte Belastungen und insbesondere Kraftverteilungen bestimmt werden. Damit können während des Betriebs Aussagen hinsichtlich der Lebensdauer, insbesondere der zu erwar- tenden Lebensdauer, getroffen werden. In der Folge können Servicemaßnahmen, d.h. Maßnahmen zur Wartung der Lagerungs- vorrichtung 10, zustandsorientiert und somit bedarfsgerecht vorgenommen werden, da die Servicemaßnahmen an die tatsäch- lieh auftretenden und erfassten Belastungen angepasst werden können .
Darüber hinaus weist die Lagerungsvorrichtung 10 durch die Anordnung des magnetoelastischen Sensors 28 zwischen dem La- gerinnenring 22 und dem Lageraußenring 20 einen besonders kompakten Aufbau auf .
Der magnetoelastische Sensor 28 ermöglicht eine bezogen auf das Wälzlager 18 berührungslose Erfassung der auf das Wälzla- ger 18 wirkenden Belastungen. Bohrungen, Fräsungen und/oder anderweitige Bearbeitungen des Lagerinnenrings 22 und des Lageraußenrings 20 und damit einhergehende, mechanische Schwächungen dieser können vermieden werden. Mit anderen Worten beeinträchtigt die mittels des magnetoelastischen Sensors 28 realisierte Erfassung der Belastungen nicht die Lagerungsbedingungen für die Bauteile 12, 14. Auch kann eine Beeinträchtigung der Lebensdauer des Wälzlagers 18 vermieden werden.
Der magnetoelastische Sensor 28 ist vorliegend in axialer Richtung an einer Stirnseite der jeweiligen Wälzkörper 26 angeordnet. Werden als Wälzkörper 26 beispielsweise Kugeln verwendet, so ist es möglich, den magnetoelastischen Sensor 28 an eine jeweilige Kugeloberfläche senkrecht zur Rollbewegung zu positionieren. Somit können senkrecht zur mit der Drehach- se 16 zusammenfallenden Rollachse auftretende Krafteinwirkungen direkt detektiert werden.
FIG 2 zeigt die Lagerungsvorrichtung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform . Wie aus FIG 2 erkennbar ist, umfasst die La- gerungsvorrichtung 10 gemäß der zweiten Ausführungsform drei magnetoelastische Sensoren 28 zum Erfassen von auf das Wälzlager 18 und insbesondere die Wälzkörper 26 wirkenden Belastungen. Diese zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Dreh- achse 16 wirkenden Belastungen sind in FIG 2 anhand von
Kraftpfeilen F veranschaulicht. Die auf das Wälzlager 18 wirkenden Kräfte bzw. Belastungen können dabei auch weitere, nicht senkrecht zur Drehachse 16 verlaufende Kraftkomponenten aufweisen.
Wie aus FIG 2 erkennbar ist, sind die magnetoelastischen Sensoren 28 in Drehrichtung des ersten Bauteils 12 um die Drehachse 16 relativ zum zweiten Bauteil 14 gleichmäßig verteilt angeordnet. Da bei der Lagerungsvorrichtung 10 gemäß der zweiten Ausführungsform drei magnetoelastische Sensoren verwendet werden, sind die magnetoelastischen Sensoren 28 paarweise um 120° voneinander beabstandet. Hierdurch ist es möglich, in Umfangsrichtung des Wälzlagers 18 über das gesamte Wälzlager eine Verteilung der auf das Wälzlager 18 wirkenden Belastungen bzw. Kräfte zu ermitteln. Insbesondere ist es dadurch möglich, Stellen zu ermitteln, an denen im Vergleich zu davon unterschiedlichen Stellen höhere Belastungen auf das Wälzlager 18 wirken. Mit anderen Worten ist es dadurch mög- lieh, lokale Belastungsspitzen zu ermitteln, so dass die Lagerungsvorrichtung 10 bzw. die Lagerung des ersten Bauteils 12 am zweiten Bauteil 14 insgesamt derart angepasst werden kann, dass derartige, lokale Belastungsspitzen vermieden werden .
Gemäß der zweiten Ausführungsform werden als Wälzkörper 26 Kugeln verwendet, welche beim Drehen des ersten Bauteils 12 relativ zum zweiten Bauteil 14 um die Drehachse 16 einerseits an der Lauffläche 30 des Lageraußenrings 20 und andererseits an der Lauffläche 32 des Lagerinnenrings 22 abwälzen.
Das Wälzlager 18 kann wenigstens einen in FIG 1 und 2 nicht dargestellten Lagerkäfig umfassen, mittels welchem die Wälzkörper 26 in Umfangsrichtung, d.h. in Drehrichtung des Wälz- lagers 18, voneinander beabstandet sind. Der Lagerkäfig ist dabei aus einem nicht-ferromagnetischen Werkstoff gebildet, um so die mittels des wenigstens einen magnetoelastischen Sensors 28 bewirkte Erfassung der auf das Wälzlager 18 wirkenden Belastungen nicht zu beeinträchtigen.
FIG 3 zeigt zwei Diagramme 34, 36, auf deren jeweiliger Abs- zisse 38 die Zeit t aufgetragen ist. Auf der jeweiligen Ordinate 40 ist die mittels des wenigstens einen magnetoelastischen Sensors 28 erfasste, auf das Wälzlager 18 wirkende Belastung aufgetragen. In das jeweilige Diagramm 34, 36 ist ein zeitlicher Verlauf 42, 44 eines Belastungssignals eingetragen. Das Belastungssignal charakterisiert dabei die mittels des wenigstens eines magnetoelastischen Sensors 28 erfassten und somit tatsächlich auf das Wälzlager 18 und insbesondere auf die Wälzkörper 26 wirkenden Belastungen.
Der zeitliche Verlauf 42 des Belastungssignals charakterisiert dabei einen unbeschädigten Soll-Zustand der Wälzkörper 26. Wie aus FIG 3 erkennbar ist, weist der zeitliche Verlauf 42 eine Wellenform auf, wobei Wellenberge 46, 48, 50, 52 der Wellenform jeweils mit einem der Wälzkörper 26 korrespondieren. Mit anderen Worten charakterisiert der Wellenberg 46 einen ersten der Wälzkörper 26, wobei der Wellenberg 48 einen zweiten der Wälzkörper 26, der Wellenberg 50 einen dritten der Wälzkörper 26 und der Wellenberg 52 einen vierten der Wälzkörper 26 insbesondere hinsichtlich des jeweiligen Zu- stands des zugehörigen Wälzkörpers 26 charakterisiert.
Der zeitliche Verlauf 44 des Belastungssignals charakteri- siert einen vom Soll-Zustand abweichenden Zustand des Wälzlagers 18 und insbesondere der Wälzkörper 26, welchen die Wälzkörper 26 beispielsweise nach einer hohen Lebensdauer
und/oder nach Auftreten besonders hoher Belastungen aufweisen. Wie anhand der Wellenberge 46, 50, 52 erkennbar ist, sind der erste Wälzkörper, der dritte Wälzkörper und der vierte Wälzkörper unbeschädigt. Dies ist der Fall, da die Wellenberge 46, 50, 52 des zeitlichen Verlaufs 44 mit den Wellenbergen 46, 50, 52 des zeitlichen Verlaufs 42 zumindest im Wesentlichen übereinstimmen.
Der Wellenberg 48 des zeitlichen Verlaufs 44 weicht jedoch deutlich vom Wellenberg 48 des zeitlichen Verlaufs 42 ab. Aufgrund dieser deutlichen Abweichung kann darauf rückgeschlossen werden, dass der zweite Wälzkörper beschädigt ist. Je nach Grad bzw. Schwere der ermittelten Beschädigung kann das Wälzlager 18 beispielsweise noch eine Zeit weiterverwen- det werden. Alternativ kann auch ein Austausch bzw. eine Reparatur des Wälzlagers 18 erforderlich sein.
FIG 4 zeigt die Lagerungsvorrichtung 10 gemäß einer dritten Ausführungsform . Aus FIG 4 ist auch der mit 54 bezeichnete Lagerkäfig erkennbar. Der magnetoelastische Sensor 28 umfasst ein Spulenelement 56 mit einer Spule 58 und einem Kernelement 60, welches in einem Teilbereich 62 des Kernelements 60 innerhalb der Spule 58 angeordnet ist. Das Kernelement 60 weist eine U-Form mit zwei voneinander beabstandeten und über einen Steg 64 der U-Form miteinander verbundenen Schenkeln 66, 68 auf, wobei die Schenkel 66, 68 in zumindest bereichsweiser Überdeckung mit dem Lagerinnenring 22 und dem Lageraußenring 20 angeordnet und von diesen beabstandet sind. Mit anderen Worten grenzt der Schenkel 66 in axialer Richtung an den La- gerinnenring 22 an, so dass der Lagerinnenring 22 in axialer Richtung zumindest bereichsweise durch den Schenkel 66 überdeckt ist.
Analog dazu grenzt der Schenkel 68 in axialer Richtung an den Lageraußenring 20 an, so dass der Lageraußenring 20 in axialer Richtung zumindest bereichsweise durch den Schenkel 68 überdeckt ist. Der Steg 64 der U-Form ist dabei zumindest teilweise und vorliegend zumindest überwiegend in der Spule 58 aufgenommen. Hierdurch ist ein besonders einfacher Aufbau ermöglicht. Darüber hinaus sind die auch in FIG 4 durch
Kraftpfeile F veranschaulichten und auf die Wälzkörper 26 wirkenden Belastungen besonders präzise erfassbar. FIG 5 zeigt die Lagerungsvorrichtung 10 gemäß einer vierten Ausführungsform . Das Kernelement 56 umfasst nun ein zumindest im Wesentlichen stabförmiges Kernteil 70, welches in einem Teilbereich 62 des Kernteils 70 in der Spule 58 aufgenommen und in zumindest bereichsweiser Überdeckung mit dem Lageraußenring 20 und dem Lagerinnenring 22 angeordnet ist. Darüber hinaus umfasst das Kernelement 56 den Lagerinnenring 22 und den Lageraußenring 20. Mit anderen Worten werden der Lagerinnenring 22 und der Lageraußenring 20 als weitere Kernteile des Kernelements 56 genutzt, um einen durch den magnetoelastischen Sensor 28 bewirkten, magnetischen Fluss bzw. magnetische Feldlinien zu führen.
Da der Lagerkäfig 54 aus einem nicht-ferromagnetischen Werk- Stoff gebildet ist, beeinflusst er diese Führung nicht. Die Magnetfeldlinien werden dabei über die jeweiligen Wälzkörper 26 gelenkt.
FIG 6 und 7 zeigen die Lagerungsvorrichtung 10 gemäß einer fünften Ausführungsform . Insbesondere bei kleinen Dimensionen des Wälzlagers 18 und insbesondere der Wälzkörper 26, die in der Größenordnung eines Sensorkopfes des magnetoelastischen Sensors 28 liegen, ist es möglich, Kraftverteilungen an den Wälzkörpern 26 so zu messen, dass Empfangsspulen des magne- toelastischen Sensors 28 an den Wälzkörpern 26 positioniert werden, wobei eine Sendespule axialsymmetrisch an der Stirnseite sitzt.
Gemäß der fünften Ausführungsform weist der magnetoelastische Sensor 28 eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Spulen 72, 74, 76 auf, in denen jeweilige Kernbereiche 78, 80, 82 des Kernelements 56 angeordnet sind. Dabei sind die Spulen 72, 76 als Empfangsspulen ausgebildet, durch welche die Wälzkörper 26 in axialer Richtung zumindest zeitweise überdeckt sind. Mittels der Empfangsspulen werden die auf das Wälzlager 18 und insbesondere die Wälzkörper 26 wirkenden Belastungen erfasst. Durch die Empfangsspulen und die damit korrespondie- renden Kernbereiche 78, 82 sind somit die genannten Sensorköpfe des magnetoelastischen Sensors 28 gebildet.
Die Spule 74 ist als Sendespule ausgebildet, mittels welcher ein magnetisches Feld erzeugbar ist. Das magnetische Feld kann mittels der Empfangsspulen erfasst werden.
Das magnetische Feld ist in FIG 7 anhand der dort mit 84 bezeichneten Magnetfeldlinien veranschaulicht. Mit anderen Wor- ten ist aus FIG 7 der magnetische Feldlinienverlauf erkennbar, wobei die Magnetfeldlinien 84 ausgehend von der Sendespule und dem damit korrespondierenden Kernbereich 80 über das erste Bauteil 12 und die Wälzkörper 26 und von diesen zur jeweiligen Empfangsspule und den damit korrespondierenden Kernbereichen 78, 82 und wieder zurück zur Sendespule mit dem korrespondierenden Kernbereich 80 verlaufen.

Claims

Patentansprüche
1. Lagerungsvorrichtung (10) zum Lagern eines ersten Bauteils (12) an einem zweiten Bauteil (14), mit wenigstens einem La- gerelement (18) , unter dessen Vermittlung das erste Bauteil (12) an dem zweiten Bauteil (14) relativ zu diesem bewegbar zu lagern ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lagerungsvorrichtung (10) wenigstens einen magnetoelasti - sehen Sensor (28) zum Erfassen von auf das Lagerelement (18) wirkenden Belastungen umfasst.
2. Lagerungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lagerungsvorrichtung (10) dazu ausgelegt ist, das erste Bauteil (12) am zweiten Bauteil (14) um eine Drehachse (16) relativ zu dem zweiten Bauteil (14) drehbar zu lagern, wobei die Lagerungsvorrichtung (10) wenigstens drei in Drehrichtung des ersten Bauteils (12) um die Drehachse (16) gleichmäßig verteilt angeordnete magnetoelastische Sensoren (28) zum Erfassen von auf das Lagerelement (18) wirkenden Belastungen umfasst .
3. Lagerungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lagerelement (18) als Wälzlager (18) mit Wälzkörpern (26) ausgebildet ist.
4. Lagerungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Wälzlager (18) einen Lagerkäfig (54) umfasst, mittels welchem die Wälzkörper (26) voneinander beabstandet sind.
5. Lagerungsvorrichtung (10) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerkäfig (26) aus einem nicht-ferromagnetischen Werkstoff gebildet ist.
6. Lagerungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Wälzlager (18) einen Lageraußenring (20) als ersten Lagerring (20) und einen Lagerinnenring (22) als zweiten Lagerring (22) umfasst, an welchen die Wälzkörper (16) bei einer Bewegung des ersten Bauteils (12) relativ zum zweiten Bauteil (14) abwälzen, wobei der magnetoelastische Sensor (28) wenigstens ein Spulenelement (56) mit einer Spule (58) und einem zumindest teilweise in der Spule angeordneten Kernelement (60) umfasst, welches in zumindest bereichsweiser Überdeckung mit den Lagerringen (20, 22) angeordnet ist.
7. Lagerungsvorrichtung (10) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kernelement (60) eine U-Form mit zwei über einen Steg (64) der U-Form miteinander verbundenen Schenkeln (66, 68) aufweist, welche in zumindest bereichsweiser Überdeckung mit den Lagerringen (20, 22) angeordnet sind.
8. Lagerungsvorrichtung (10) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kernelement (60) die Lagerringe (20, 22) umfasst.
9. Lagerungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der magnetoelastische Sensor (28) in radialer Richtung des Wälzlagers (18) zumindest bereichsweise zwischen den Lagerringen (20, 22) angeordnet ist.
10. Lagerungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der magnetoelastische Sensor (28) eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Spulen (72, 74, 76) umfasst, wobei wenigstens eine der Spulen (72, 74, 76) als Sendespule (74) zum Erzeugen eines magnetischen Felds und wenigstens eine andere der Spulen (72, 74, 76) als Empfangsspule (72, 76) zum Erfassen des magnetischen Felds ausgebildet ist.
11. Verfahren zum Erfassen von auf wenigstens ein Lagerelement (18) einer Lagerungsvorrichtung (10) zum Lagern eines ersten Bauteils (12) an einem zweiten Bauteil (14) wirkenden Belastungen, bei welchem das Lagerelement (18) verwendet wird, um unter dessen Vermittlung das erste Bauteil (12) an dem zweiten Bauteil (14) relativ zu diesem bewegbar zu lagern und bei welchem auf das Lagerelement (18) wirkende Belastun- gen mittels wenigstens eines magnetoelastischen Sensors (28) der Lagerungsvorrichtung (10) erfasst werden.
PCT/EP2014/053958 2013-03-27 2014-02-28 Lagerungsvorrichtung zum lagern eines ersten bauteils an einem zweiten bauteil sowie verfahren zum erfassen von auf ein lagerelement wirkenden belastungen WO2014154442A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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