WO2015086691A1 - Wälzlager oder gleitlager mit schwingungsdämpfung - Google Patents

Wälzlager oder gleitlager mit schwingungsdämpfung Download PDF

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vibration damper
piezoelectric element
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Jochen Dusel
Johannes Goetz
Patrick Titze
Sascha Vorbeck
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    • F16C23/045—Sliding-contact bearings self-adjusting with spherical surfaces, e.g. spherical plain bearings for radial load mainly, e.g. radial spherical plain bearings

Definitions

  • Rolling or sliding bearings with vibration damping The present application relates to a rolling bearing or sliding bearing with an outer ring and an inner ring, a rolling bearing or sliding bearing assembly, and a method for damping vibrations in a rolling bearing or sliding bearing.
  • Object of the present invention is therefore to provide a rolling bearing or plain bearing, which is as resistant to vibration as possible.
  • a rolling bearing or sliding bearing with at least one outer ring and an inner ring, between which optionally a plurality of rolling elements are arranged is provided.
  • the invention is based on the idea, on and / or in the inner ring and / or on and / or in the outer ring and / or on at least one of the optional rolling elements to arrange at least one active vibration damper unit, in particular a piezoelectric element.
  • the outer ring and / or the inner ring may also be formed only as a ring segment with axial and / or radial pitch.
  • the active vibration damper unit according to the invention makes it possible to actively act on the rolling bearing or slide bearing with a counter-vibration with which a vibration registered in the roller bearing or slide bearing can be compensated.
  • the registered oscillation is preferably detected, a compensating countervibration calculated and the active vibration damping element driven in such a way that it executes the corresponding countervibration.
  • passive vibration damping elements are known from the prior art, they can dampen the vibrations and vibrations only to a limited extent.
  • the installation of rolling bearings or plain bearings itself is difficult, so that the rolling bearing or plain bearing itself experiences no vibration damping, but only about the rolling bearing or sliding bearing against each other rotating elements.
  • the active vibration damper unit according to the invention on the roller bearing or sliding bearing itself not only reduces vibration input to the elements connected via the roller bearing or plain bearing, but at the same time enables vibration damping on the bearing itself, which leads to particularly smooth running. At the same time damage to the rolling bearing or plain bearing due to vibrations are reliably prevented.
  • the at least one active vibration damper unit is formed integrally with the outer ring and / or the inner ring. Since vibrations are transmitted in particular from the outer ring to the inner ring or vice versa, an active introduction of counter vibrations on the outer ring or inner ring, which directly reduce or compensate for vibrations arising on the rolling bearing or sliding bearing.
  • the active vibration damper unit can be arranged in a rolling bearing in a bearing cage comprising the plurality of rolling elements.
  • a bearing cage comprising the plurality of rolling elements.
  • the bearing cage is also the bearing cage itself Transmission point for vibrations, so that the direct arrangement of the active vibration damper unit provides a good vibration damping.
  • the cage may be formed as Käfigsegement.
  • the rolling bearing or plain bearing can also have a spacer ring, wherein the at least one active vibration damper unit is arranged in and / or on the spacer ring.
  • the active vibration damper unit has at least one actuator for generating a vibration, wherein the actuator is preferably a piezoactuator.
  • the actuator arranged in the vibration damper unit actively ensures the generation of the countervibration of the roller bearing or slide bearing component with the vibration damper unit. This means, for example, that, upon detection of a vibration in an outer ring with an active vibration damper unit, the actuator of the vibration damper unit generates a counter vibration to the vibration in the outer ring, so that the two oscillations compensate each other.
  • piezoactuators are particularly suitable for this, since corresponding countervibrations can be formed quickly and precisely with them.
  • the entire active vibration damper unit is designed as a piezoelectric element, which is preferably arranged in vibration-induced deformation-force-transmitting connection on / in the inner ring and / or on / in the outer ring.
  • Piezoelectric elements have the advantage that they can be arranged directly in the components, for example, the inner or outer ring, and they can act on a counter-vibration. Furthermore, they are easy to control and offer a wide range of executable vibrations.
  • the oscillations can be actively "switched on” or “switched off", so that no undesirable oscillation entry takes place via a ringing of the vibration damper unit.
  • the vibration damper unit further comprises a sensor which is designed to detect an oscillation. tektieren, wherein preferably the sensor is designed as a voltage detector, which detects a resulting upon deformation of the piezoelectric element voltage.
  • the vibration induced deformation of the piezoelectric element can be measured via the voltage generated by the piezoelectric element, which in turn is used as the basis for the calculation of the countervibration.
  • another element may be provided for vibration detection.
  • a rolling bearing or journal bearing assembly having a rolling bearing as described above and an active vibration damper unit, wherein the active vibration damper unit is operatively connected to a control unit.
  • the control unit allows both an evaluation of the measured variables of the sensor element and thus of the detected oscillation, as well as a setting of the counter-oscillation complementary thereto, as well as a driving of the active vibration damper element for generating the predetermined counter-vibration.
  • the control unit controls the actuator of the vibration unit such that a vibration in the active vibration damping unit can be induced via the control unit.
  • the control unit can in particular have a voltage source which applies a voltage to the piezoelectric element according to the invention, so that this is deformed and thereby counteracts the oscillation.
  • the voltage source can also be designed as a voltage store, for example as a capacitor, which is not only designed to generate a voltage but also to store a voltage.
  • the active vibration damper unit in particular the piezoelectric element, can be used as an alternative to a roller bearing or slide bearing
  • the generated and stored energy can be made available elsewhere, for example, to operate the various sensors.
  • Another aspect of the present invention relates to a method for damping a vibration in a rolling bearing or plain bearing or sliding bearing arrangement, as described above, wherein the method in a first step, a vibration of the rolling bearing or plain bearing, preferably detected by means of the sensor element, then a counter-vibration, preferably determined by means of the control element, and by driving, for example, an actuator of the active vibration unit, a counter-vibration is generated, which is registered as a counter-vibration in the rolling bearing or sliding bearing.
  • the rolling bearing or slide bearing is equipped with a designed as a piezoelectric element vibration damper unit.
  • an active vibration damping according to the invention is generated in that a deformation force caused by a vibration of the inner ring and / or the outer ring and / or optionally of the at least one rolling element acts on the piezoelectric element.
  • the voltage generated by the deformation force is detected, preferably by means of the voltage detector detected, passed to the control, which determines therefrom the registered vibration and determines a counter-vibration.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a first embodiment of the rolling bearing according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a second exemplary embodiment of the rolling bearing according to the invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a third embodiment of the rolling bearing according to the invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a fourth embodiment of the rolling bearing according to the invention.
  • FIGS. 1 to 4 shows a schematic representation of the embodiment of the rolling bearing or plain bearing according to the invention shown in FIGS. 1 to 4 in detail;
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a fifth embodiment of the rolling bearing according to the invention.
  • Fig. 7 is a schematic diagram of an embodiment of a sliding bearing according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a rolling bearing assembly 1 with a rolling bearing 2, which has an inner ring 4 and an outer ring 6 and between them arranged rolling elements 8.
  • the rolling bearing 2 ensures a rotational movement of a first construction 10, for example, a shaft, within a second component 12, for example a sleeve, wherein the shaft 10 rotatably connected to the inner ring 4 and the sleeve 12 rotatably connected to the outer ring 6.
  • the rolling elements 8 themselves can in turn be arranged in a cage 14, which spaces the individual rolling bodies 8 in a known manner.
  • the outer ring 6, the inner ring 4 and / or the cage 14 may also be formed of one or more segments.
  • a training as full complement rolling bearing is possible in which is dispensed with a cage 14.
  • the rolling elements may have any known configuration, for example as balls, cylinders or tons.
  • a slide bearing assembly 11 with a sliding bearing 21, as shown in Fig. 7, are used, wherein in a sliding bearing 21 no rolling elements 8 are present, but the outer ring 6 and the inner ring 4 are directly in contact.
  • the sliding bearing 21 may be formed with or without between the outer ring 6 and inner ring 4 provided lubricant.
  • an active vibration damper unit 16 is furthermore arranged on the outer ring 6 (see FIG. 1) or in the inner ring 4 (see FIG. 7).
  • an active vibration damper unit 16 is constructed as an active vibration absorber with a mass element 18, a spring element 20, an actuator 22 and a damper 24.
  • the active vibration damper unit 16 is formed as a piezoelectric element, the functions of mass element, spring element due to its inherent properties Damper and actuator combined. As is known, a piezoelectric element can be deformed upon application of a voltage, or generate a voltage upon deformation.
  • this can be used to generate a pulsating deformation of the piezoelectric element by applying a specific voltage sequence or specific voltage pulses, which in turn leads to the generation or recording of a vibration in the component of the rolling bearing or sliding bearing on or in which Piezoelement is arranged.
  • FIGS. 1 and 7 show that the active vibration damper unit 16 furthermore has a sensor 26 which is designed to detect a vibration registered on the vibration damper unit 16.
  • the sensor unit 26 may be designed in particular as a voltage detector. Since a piezoelectric element experiences a deformation force due to vibrations, which in turn leads to a voltage change on the piezoelectric element, this voltage can be detected.
  • the rolling bearing or plain bearing arrangement 1 has a control 28, which is in operative connection with the sensor unit 26 and receives information about a registered oscillation from the sensor unit 26.
  • the information about the vibration can be processed, for example, in the control unit 28, which in turn calculates a counter-vibration which is suitable for compensating the registered vibration.
  • the control unit 28 in turn controls the actuator 22 of the active vibration damper unit 16 or the piezoelectric element in such a way that it induces a counter-vibration in the vibration damper unit 16. This can for example be done analogously by driving the mass 18, which in turn transmits the vibration via the spring element 20 to the outer ring 6 and the inner ring 4.
  • the countervibration can be generated by applying a corresponding voltage sequence to the piezoelectric element, which in turn causes a corresponding deformation of the piezoelectric element, so that a vibration-compensating counter-oscillation is generated on the outer ring 6 or the inner ring 4 becomes.
  • the countervibration is only generated when the vibration registered in the rolling bearing 2 or slide bearing 21 moves in a resonance range or critical range.
  • the active vibration damper unit 16 is designed as a piezoelectric element, in addition the deformation of the piezoelement caused by the vibration can generate a voltage that is output to a voltage storage source (not shown) connected to the control unit.
  • the rolling bearing or sliding bearing arrangement 1, 11 according to the invention can be used, on the one hand, to generate electrical energy by means of the vibrations which are registered during operation and which are not critical.
  • FIG. 2 shows a further preferred embodiment of a rolling bearing assembly 1 with a rolling bearing or sliding bearing 2 and an active vibration damper unit 16, wherein the vibration damper unit 16 is arranged in the exemplary embodiment shown on the inner ring 4 of the rolling bearing or sliding bearing 2.
  • the active vibration damper unit 16 instead of arranging the active vibration damper unit 16 according to the invention next to the bearing rings 4, 6, as shown in FIGS. 1 and 2, it is also possible, as the embodiment of FIG. 3 shows, to mount the active vibration damper unit 16 directly in the material of FIG Outer ring 6 (see Fig. 3) or the inner ring 4 (see Fig. 4, Fig. 7) form.
  • FIG. 3 shows
  • FIG. 5 schematically shows an arrangement of the active vibration damper unit 16 in an inner ring 4, as schematically illustrated in FIG. 4.
  • the vibration damper unit 16 may be arranged several times along the circumference of the inner ring 4, so that a particularly good vibration damping is achieved.
  • vibrations in the X and Y direction can be represented and compensated.
  • the arrangement of a vibration damper unit 16 in the Z-direction out of the plane, in the direction of vibration damping is of course also possible, so that not only vibrations in the X and Y direction, but also in the Z direction are compensated can. This applies analogously to sliding bearings, as shown for example in FIG. 7.
  • the provision of the active vibration damper unit 16 is not only possible on flat bearings 2 with cylindrical or conical rolling elements 8, but, as shown for example in Fig. 6, any type of rolling bearing or plain bearing 2, for example, a rolling bearing or plain bearings with tapered rolling elements 8 may be equipped with the active vibration damper unit 16 according to the invention.
  • the inventive active vibration damper element 16 allows a particularly good vibration damping and at the same time also a vibration damping only in certain applications.

Abstract

Wälzlager (2) oder Gleitlager (21) mit einem Außenring (6) und einem Innenring (4), zwischen denen optional mehrere Wälzkörper (8) angeordnet sind, wobei an und/oder in dem Innenring (4) und/oder an und/oder in dem Außenring (6) und/oder an mindestens einem der optionalen Wälzkörper (8) mindestens eine aktive Schwingungsdämpfereinheit (16), insbesondere ein Piezoelement, angeordnet ist, eine Wälzlager- oder Gleitlageranordnung (I; 11), sowie ein Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen in einem derartigen Wälzlager (2) oder Gleitlager (21).

Description

B e s c h r e i b u n g
Wälzlager oder Gleitlager mit Schwingungsdämpfung Vorliegende Anmeldung betrifft ein Wälzlager oder Gleitlager mit einem Außenring und einem Innenring, eine Wälzlager- oder Gleitlageranordnung, sowie ein Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen in einem Wälzlager oder Gleitlager.
In Wälzlager oder Gleitlager werden während des Betriebs bekanntermaßen oftmals Schwingungen oder Vibrationen eingetragen. Diesen Schwingungen wurde bis jetzt insofern Rechnung getragen, dass die Bauteile des Wälzlager oder Gleitlagers derart ausgebildet sind, dass sie von den Schwingungen bzw. Vibrationen möglichst nicht beschädigt werden. Dazu müssen jedoch die im Wälzlager oder Gleitlager verwendbaren Materialien und Bauteile hohen Anforderungen genügen. Dennoch führen die Schwingungen und Vib- rationen zu einem erhöhten Verschleiß und immer wieder auch zu einer direkten Beschädigung des betroffenen Wälzlagers oder Gleitlagers.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, ein Wälzlager oder Gleitlager bereitzustellen, das möglichst schwingungsresistent ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Wälzlager oder Gleitlager gemäß Patentanspruch 1 , eine Wälzlager- oder Gleitlageranordnung gemäß Patentanspruch 8, sowie ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Erfindungsgemäß wird ein Wälzlager oder Gleitlager mit zumindest einem Außenring und einem Innenring, zwischen denen optional mehrere Wälzkörper angeordnet sind, bereitgestellt. Dabei basiert die Erfindung auf der Idee, an und/oder in dem Innenring und/oder an und/oder in dem Außenring und/oder an mindestens einem der optionalen Wälzkörper mindestens eine aktive Schwingungsdämpfereinheit, insbesondere ein Piezoelement, anzuordnen. Dabei kann der Außenring und/oder der Innenring auch nur als Ringsegment mit axialer und/oder radialer Teilung ausgebildet sein.
Dabei ermöglicht die erfindungsgemäße aktive Schwingungsdämpfereinheit, aktiv das Wälzlager oder Gleitlager mit einer Gegenschwingung zu beaufschlagen, mit der eine in das Wälzlager oder Gleitlager eingetragene Schwingung kompensiert werden kann. Dazu wird vorzugsweise die eingetragene Schwingung detektiert, eine kompensierende Gegenschwingung berechnet und das aktive Schwingungsdämpfungselement derart angesteuert, dass es die entsprechende Gegenschwingung ausführt. Aus dem Stand der Technik sind zwar passive Schwingungsdämpfungselemente bekannt, diese können jedoch die Schwingungen und Vibrationen nur bedingt dämpfen. Zudem ist der Einbau an Wälzlager oder Gleitlagern selbst schwierig, so dass das Wälzlager oder Gleitlager selbst keine Schwingungsdämpfung erfährt, sondern nur die sich über das Wälzlager oder Gleitlager gegeneinander drehenden Elemente.
Die erfindungsgemäße aktive Schwingungsdämpfereinheit am Wälzlager oder Gleitlager selbst dagegen reduziert nicht nur einen Schwingungseintrag auf die über das Wälzlager oder Gleitlager verbundenen Elemente, sondern ermöglicht gleichzeitig eine Schwingungsdämpfung am Lager selbst, was zu einer besonders großen Laufruhe führt. Gleichzeitig werden Beschädigungen des Wälzlager oder Gleitlagers aufgrund von Schwingungen zuverlässig verhindert.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die mindestens eine aktive Schwingungsdämpfereinheit dabei integral mit dem Außenring und/oder dem Innenring ausgebildet. Da Schwingungen insbesondere vom Außenring auf den Innenring bzw. umgekehrt übertragen werden, kann eine aktive Einleitung von Gegenschwingungen am Außenring bzw. Innenring, die am Wälzlager oder Gleitlager entstehenden Schwingungen direkt reduzieren bzw. kompensieren.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die aktive Schwingungsdämpfereinheit bei einem Wälzlager auch in einem die mehreren Wälzkörper umfassenden Lagerkäfig angeordnet sein. Wie Innenring und Außenring ist auch der Lagerkäfig selbst Übertragungsstelle für Schwingungen, so dass die direkte Anordnung der aktiven Schwingungsdämpfereinheit eine gute Schwingungsdämpfung bereitstellt. Dabei kann auch der Käfig als Käfigsegement ausgebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann das Wälzlager oder Gleitlager zudem einen Abstandsring aufweisen, wobei die mindestens eine aktive Schwingungsdämpfereinheit in und/oder an dem Abstandsring angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die aktive Schwingungsdämpfereinheit mindestens einen Aktuator zur Erzeugung einer Schwingung auf, wobei der Aktuator vorzugsweise ein Piezoaktuator ist. Der in der Schwingungsdämpfereinheit angeordnete Aktuator sorgt dabei aktiv für die Erzeugung der Gegenschwingung des Wälzlager- oder Gleitlagerbauteils mit der Schwingungsdämpfereinheit. Das bedeutet beispielsweise, dass, bei Detektion einer Schwingung in einem Außenring mit einer aktiven Schwingungsdämpfereinheit, der Aktuator der Schwingungsdämpfereinheit eine zu der Schwingung passende Gegenschwingung in dem Außenring erzeugt, so dass sich die beiden Schwingungen kompensieren. Vorzugsweise sind dafür Piezoaktuatoren besonders geeignet, da mit ihnen entsprechende Gegenschwingungen schnell und präzise ausgebildet werden können.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die gesamte aktive Schwingungsdämpfereinheit als Piezoelement ausgebildet, das vorzugsweise in schwingungsbedingter verformungskraftübertragender Verbindung an/in dem Innenring und/oder an/in dem Außenring angeordnet ist. Piezoelemente haben den Vorteil, dass sie direkt in den Bauteilen, beispielsweise dem Innen- oder Außenring, angeordnet werden können und diese mit einer Gegenschwingung beaufschlagen können. Des Weiteren sind sie leicht ansteuerbar und bieten ein breites Spektrum an ausführbaren Schwingungen. Zudem können die Schwingungen aktiv„angeschaltet" bzw.„ausgeschaltet" werden, so dass kein unerwünschter Schwingungseintrag über ein Nachschwingen der Schwingungsdämpfereinheit erfolgt.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die Schwingungsdämpfereinheit weiterhin einen Sensor auf, der dazu ausgelegt ist, eine Schwingung zu de- tektieren, wobei vorzugsweise der Sensor als Spannungsdetektor ausgebildet ist, der eine bei Verformung des Piezoelements entstehende Spannung detektiert.
Um gezielt eine Gegenschwingung festzulegen, ist es vorteilhaft, zuerst die eingetragene Schwingung zu analysieren. Dies wird vorteilhafterweise mittels des Sensorelements durchgeführt. Dabei kann beispielsweise die von der Schwingung induzierte Verformung des Piezoelements über die vom Piezoelement erzeugte Spannung gemessen werden, die wiederum als Basis für die Berechnung der Gegenschwingung verwendet wird. Alternativ kann ein weiteres Element zur Schwingungsdetektion vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt vorliegender Erfindung wird eine Wälzlager- oder Gleitlageranordnung mit einem Wälzlager oder Gleitlager, wie oben beschrieben, und mit einer aktiven Schwingungsdämpfereinheit bereitgestellt, wobei die aktive Schwingungsdämpfereinheit in Wirkverbindung mit einer Steuereinheit steht. Dabei ermöglicht die Steuereinheit sowohl ein Auswerten der Messgrößen des Sensorelements und damit der detektierten Schwingung, als auch ein Festlegen der dazu komplementären Gegenschwingung, sowie ein Ansteuern des aktiven Schwingungsdämpferelements zum Erzeugen der festgelegten Gegenschwingung. Dabei ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Steuereinheit den Aktuator der Schwingungseinheit derart ansteuert, dass über die Steuereinheit eine Schwingung in der aktiven Schwingungsdämpfereinheit induzierbar ist. Dabei kann die Steuereinheit insbesondere eine Spannungsquelle aufweisen, die eine Spannung an dem erfindungsgemäßen Piezoelement anlegt, so dass dieses verformt wird und dadurch der Schwingung entgegenwirkt.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die Spannungsquelle auch als Spannungsspeicher, beispielsweise als Kondensator, ausgebildet sein, der nicht nur dazu ausgelegt ist, eine Spannung zu erzeugen, sondern auch, eine Spannung zu speichern. Dadurch kann die aktive Schwingungsdämpfereinheit, insbesondere das Piezoelement, al- ternativ dazu verwendet werden, eine in das Wälzlager oder Gleitlager eingetragene
Schwingung in Strom bzw. Spannung zu verwandeln, die dann in dem Kondensator gespeichert wird. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass beispielsweise nur dann eine Gegenschwingung erzeugt wird, wenn eine Amplitude bzw. Frequenz der eingetragenen Schwingung in einem bestimmten kritischen Bereich liegt. So kann beispielsweise das Wälzlager oder Gleitlager während nicht kritischer Schwingungszustände als stromproduzierendes Element ausgebildet sein, während bei kritischen Schwingungszuständen, beispielsweise im Bereich von Resonanzschwingungen, eine aktive Schwingungsdämpfung über die Erzeugung einer Gegenschwingung bereitgestellt wird.
Zudem kann auch die erzeugte und gespeicherte Energie an anderer Stelle nutzbar gemacht werden, beispielsweise zum Betreiben der verschiedenen Sensoren.
Ein weiterer Aspekt vorliegender Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dämpfen einer Schwingung in einem Wälzlager oder Gleitlager bzw. eine Wälzlager- oder Gleitlageranordnung, wie oben beschrieben, wobei das Verfahren in einem ersten Schritt eine Schwingung des Wälzlagers oder Gleitlagers, vorzugsweise mittels des Sensorelements detektiert, daraufhin eine Gegenschwingung, vorzugsweise mittels des Steuerelements bestimmt wird, und über Ansteuern beispielsweise eines Aktuators der aktiven Schwingungseinheit eine Gegenschwingung erzeugt wird, die als Gegenschwingung in das Wälzlager oder Gleitlager eingetragen wird.
Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Wälzlager oder Gleitlager mit einer als Piezo- element ausgebildeten Schwingungsdämpfereinheit ausgestattet ist. Dabei wird eine aktive Schwingungsdämpfung erfindungsgemäß dadurch erzeugt, dass eine durch eine Schwingung des Innenrings und/oder des Außenrings und/oder optional des mindestens einem Wälzkörpers verursachte Verformungskraft auf das Piezoelement wirkt. Die durch die Verformungskraft erzeugte Spannung wird, vorzugsweise mittels des Spannungsdetektors, detektiert an das Steuerelement übergeben, das daraus die eingetragene Schwingung bestimmt und eine Gegenschwingung festlegt. Anschließend wird wiederum über das Anlegen einer zu der Gegenschwingung gehörenden Spannung an das Piezoelement eine Gegenverformung des Piezoelements erzeugt, so dass diese Gegenverformungskraft des Pie- zoelements auf den Innenring und/oder Außenring und/oder optional den mindestens einen Wälzkörper übertragen wird, und so der Gegenschwingung entgegenwirkt.
Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Erzeugung der Gegenschwingung nur dann ausgeführt wird, wenn Schwingungen detektiert werden, deren Frequenz und/oder
Amplitude einen bestimmten Schwellenwert über- und/oder unterschreiten und/oder in einem bestimmten Bereich liegen. Wie oben bereits erwähnt, können dadurch Resonanz- Schwingungen verhindert werden, während die in das Wälzlager oder Gleitlager eingetragenen unkritischen Schwingungen zur Erzeugung von Strom aufgrund der Spannungsänderung am Piezoelement verwendet werden können.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren definiert.
Im Folgenden soll das Prinzip der Erfindung anhand von in den Figuren gezeigten Ausfüh- rungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele rein exemplarischer Natur und sollen nicht den Schutzbereich der Anmeldung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wälzlagers;
Fig. 2: eine schematische Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wälzlagers;
Fig. 3: eine schematische Prinzipdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wälzlagers;
Fig. 4: eine schematische Prinzipdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wälzlagers;
Fig. 5: eine schematische Darstellung des in Fig. 1 - 4 dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wälzlager oder Gleitlagers im Detail;
Fig. 6: eine schematische Prinzipdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wälzlagers; und
Fig. 7: eine schematische Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Gleitlagers.
Im Folgenden werden gleiche bzw. funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wälzlageranordnung 1 mit einem Wälzlager 2, das einen Innenring 4 und einen Außenring 6 und dazwischen angeordnete Wälzkörper 8 aufweist. Dabei sorgt das Wälzlager 2 für eine drehende Bewegung eines ersten Bau- teils 10, beispielsweise einer Welle, innerhalb eines zweiten Bauteils 12, beispielsweise einer Hülse, wobei die Welle 10 drehfest mit dem Innenring 4 und die Hülse 12 drehfest mit dem Außenring 6 verbunden sind. Die Wälzkörper 8 selbst können wiederum in einem Käfig 14 angeordnet sein, der die einzelnen Wälzkörper 8 in bekannter Weise voneinander beabstandet. Dabei können der Außenring 6, der Innenring 4 und/oder der Käfig 14 auch aus einem oder mehrere Segmenten ausgebildet sein. Alternativ ist auch eine Ausbildung als vollrolliges Wälzlager möglich, bei dem auf einen Käfig 14 verzichtet wird. Weiterhin sollte beachtet werden, dass die Wälzkörper jede bekannte Ausgestaltung, beispielsweise als Kugeln, Zylinder oder Tonnen aufweisen können.
Analog kann auch eine Gleitlageranordnung 11 mit einem Gleitlager 21 , wie in Fig. 7 dargestellt, verwendet werden, wobei bei einem Gleitlager 21 keine Wälzkörper 8 vorhanden sind, sondern der Außenring 6 und der Innenring 4 direkt miteinander in Kontakt stehen. Dabei kann das Gleitlager 21 mit oder ohne zwischen Außenring 6 und Innenring 4 vorge- sehenen Gleitmittel ausgebildet sein.
Gemäß beiden in Fig. 1 und Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispielen ist weiterhin an dem Außenring 6 (siehe Fig. 1) bzw. in dem Innenring 4 (siehe Fig. 7) eine erfindungsgemäße aktive Schwingungsdämpfereinheit 16 angeordnet. Prinzipgemäß ist eine aktive Schwingungsdämpfereinheit 16 wie als aktiver Schwingungstilger aufgebaut mit einem Massenelement 18, einem Federelement 20, einem Aktuator 22 und einem Dämpfer 24. Vorzugsweise ist jedoch die aktive Schwingungsdämpfereinheit 16 als Piezoelement ausgebildet, das aufgrund seiner inhärenten Eigenschaften die Funktionen von Massenelement, Federelement, Dämpfer und Aktuator in sich vereinigt. Wie bekannt, kann ein Pie- zoelement bei Anlegen einer Spannung verformt werden, beziehungsweise bei Verformung eine Spannung erzeugen. Dies kann erfindungsgemäß dazu verwendet werden, um über Anlegen einer bestimmten Spannungsabfolge beziehungsweise bestimmter Spannungsimpulse eine pulsierende Verformung des Piezoelements zu erzeugen, was wiederum zu der Erzeugung beziehungsweise der Eintragung einer Schwingung in das Bauteil des Wälzla- ger oder Gleitlagers führt, an oder in dem das Piezoelement angeordnet ist.
Weiterhin zeigen Fig. 1 und Fig. 7, dass die aktive Schwingungsdämpfereinheit 16 weiterhin einen Sensor 26 aufweist, der dazu ausgelegt ist, eine an der Schwingungsdämpfereinheit 16 eingetragene Schwingung zu detektieren. Bei der Verwendung eines Piezoelements kann die Sensoreinheit 26 insbesondere als Spannungsdetektor ausgebildet sein. Da ein Piezoelement aufgrund von Schwingungen eine Verformungskraft erfährt, die wiederum zu einer Spannungsänderung am Piezoelement führt, kann diese Spannung detektiert werden.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Wälzlager oder Gleitlageranordnung 1 eine Steuerung 28 auf, die mit der Sensoreinheit 26 in Wirkverbindung steht und Informationen über eine eingetragene Schwingung von der Sensoreinheit 26 empfängt. Die Informationen über die Schwingung können beispielsweise in der Steuereinheit 28 verarbeitet werden, die wiederum eine Gegenschwingung berechnet, die geeignet ist, die eingetragene Schwingung zu kompensieren. Um diese Gegenschwingung zu erzeugen, steuert die Steuereinheit 28 wiederum den Aktuator 22 der aktiven Schwingungsdämpfereinheit 16 beziehungsweise das Piezoelement derart an, dass dieses in der Schwingungsdämpfereinheit 16 eine Gegenschwingung induziert. Dies kann beispielsweise analog über Antreiben der Masse 18 erfolgen, die wiederum die Schwingung über das Federelement 20 auf den Außenring 6 bzw. des Innenrings 4 überträgt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Piezoe- lements kann jedoch die Gegenschwingung über das Anlegen einer entsprechenden Spannungsabfolge an das Piezoelement erzeugt werden, die wiederum eine entsprechende Verformung des Piezoelements bedingt, so dass eine Schwingungskompensierende Gegen- Schwingung an dem Außenring 6 bzw. dem Innenring 4 erzeugt wird.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Gegenschwingung nur dann erzeugt wird, wenn sich die ins Wälzlager 2 oder Gleitlager 21 eingetragene Schwingung in einem Resonanzbereich oder kritischen Bereich bewegt. Ist die aktive Schwingungsdämpferein- heit 16 als Piezoelement ausgebildet, kann zudem die von der Schwingung verursachte Verformung des Piezoelements eine Spannung erzeugen, die an eine mit der Steuereinheit verbundene Spannungsspeicherquelle (nicht dargestellt) abgegeben wird. Dadurch kann die erfindungsgemäße Wälzlager- oder Gleitlageranordnung 1 , 11 zum einen dazu verwendet werden, elektrische Energie mittels der während des Betriebs eingetragenen und unkri- tischen Schwingungen zu erzeugen. Liegt die eingetragene Schwingung jedoch in einem kritischen Bereich, so kann das Piezoelement, statt elektrische Energie zu erzeugen, dazu verwendet werden, die Schwingungen aktiv zu dämpfen, so dass einer Beschädigung des Wälzlager oder Gleitlagers und der umgebenden Bauteile aktiv entgegengewirkt wird. Fig. 2 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel einer Wälzlageranordnung 1 mit einem Wälzlager oder Gleitlager 2 und einer aktiven Schwingungsdämpfereinheit 16, wobei die Schwingungsdämpfereinheit 16 in dem gezeigten Ausfuhrungsbeispiel am Innenring 4 des Wälzlager oder Gleitlagers 2 angeordnet ist. Statt, wie in den Fig. 1 und 2 darge- stellt, die erfindungsgemäße aktive Schwingungsdämpfereinheit 16 neben den Lagerringen 4, 6 anzuordnen, ist es ebenfalls möglich, wie das Ausführungsbeispiel von Fig. 3 zeigt, die aktive Schwingungsdämpfereinheit 16 direkt in dem Material des Außenrings 6 (siehe Fig. 3) oder des Innenrings 4 (siehe Fig. 4, Fig. 7) auszubilden. Dadurch können besonders kompakte Wälzlager oder Gleitlageranordnungen geschaffen werden.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Anordnung der aktiven Schwingungsdämpfereinheit 16 in einem Innenring 4, wie schematisch in Fig. 4 vorgestellt. Dabei kann, wie Fig. 5 zu entnehmen, die Schwingungsdämpfereinheit 16 mehrfach entlang des Umfangs des Innenrings 4 angeordnet sein, so dass eine besonders gute Schwingungsdämpfung erreicht wird. Dies gilt analog für eine Ausgestaltung in einem anderen Bauteil des Wälzlager oder Gleitlagers 2. Dabei kann es ausreichend sein, eine aktive Schwingungsdämpfung lediglich in den zur axialen Anordnung des Wälzlagers 2 oder Gleitlagers 21 senkrecht ausgerichteten X- und Y-Richtung des Lagerrings 4, 6 anzuordnen. Bei Schwingung des Schwingungsdämpferelements 16a in X-Richtung und des Schwingungsdämpferelements 16b in Y- Richtung können alle an den Lagerringen 4, 6 eingetragenen Schwingungen in X- bzw. Y- Richtung dargestellt und kompensiert werden. Nicht dargestellt ist die Anordnung einer Schwingungsdämpfereinheit 16 in Z-Richtung aus der Zeichenebene heraus, in deren Richtung eine Schwingungsdämpfung selbstverständlich ebenfalls möglich ist, So dass nicht nur Schwingungen in X- und Y-Richtung, sondern auch in Z-Richtung kompensiert wer- den können. Dies gilt analog für Gleitlager, wie beispielsweise in Fig. 7 dargestellt.
Selbstverständlich ist das Vorsehen der aktiven Schwingungsdämpfereinheit 16 nicht nur an ebenen Wälzlagern 2 mit zylinder- oder kegelförmigen Wälzkörpern 8 möglich, sondern, wie beispielsweise in Fig. 6 dargestellt, kann jede beliebige Art von Wälzlager oder Gleitlager 2, beispielsweise auch ein Wälzlager oder Gleitlager mit kegelförmigen Wälzkörpern 8 mit der erfindungsgemäßen aktiven Schwingungsdämpfereinheit 16 ausgestattet sein. Vorteilhafterweise ermöglicht das erfindungsgemäße aktive Schwingungsdämpferelement 16 eine besonders gute Schwingungsdämpfung und gleichzeitig ebenfalls eine Schwingungsdämpfung nur in bestimmten Anwendungsbereichen.
Bezugszeichenliste
1 , i i Wälzlager oder Gleitlageranordnung
2, 21 Wälzlager oder Gleitlager
4 Innenring
6 Außenring
8 Wälzkörper
10 erstes drehendes Bauteil
12 zweites drehendes Bauteil
14 Lagerkäfig
16 aktive Schwingungsdämpfereinheit
18 Massenelement
20 Federelement
22 Aktuator
24 Dämpfer
26 Sensorelement
28 Steuerung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Wälzlager oder Gleitlager mit Schwingungsdämpfung
Wälzlager- oder Gleitlageranordnung (1; 11) mit einem Wälzlager (2) oder Gleitlager (21) mit zumindest einem Außenring (6) und einem Innenring (4), wobei an und/oder in dem Innenring (4) und/oder an und/oder in dem Außenring (6) mindestens eine aktive Schwingungsdämpfereinheit (16), insbesondere ein Piezoelement, angeordnet ist, und wobei die aktive Schwingungsdämpfereinheit (16) mit einer Steuereinheit (28) in Wirkverbindung steht und einen Aktuator (22) zur Erzeugung einer Schwingung und einen Sensor (26), der eine Schwingung detektiert, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (28) bei Detektion einer Schwingung, die eine Frequenz und/oder Amplitude aufweist, die einen Schwellenwert überschreitet und/oder unterschreitet und/oder in einem vorbestimmten Bereich liegt, den Aktuator (22) der Schwingungsdämpfereinheit (16) derart ansteuert, dass eine Schwingung in der Schwingungsdämpfereinheit (16) induzierbar ist.
Wälzlager- oder Gleitlageranordnung (1; 11) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine aktive Schwingungsdämpfereinheit (16) integral mit dem Außenring (6) und/oder dem Innenring (4) des Wälzlagers (2) oder Gleitlagers (21) ausgebildet ist.
Wälzlager- oder Gleitlageranordnung (1; 11) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen dem Außenring (6) und dem Innenring (4) mehrere Wälzkörper (8) angeordnet sind und die mindestens eine aktive Schwingungsdämpfereinheit (16) an mindestens einem der Wälzkörper (8) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die mehreren Wälzkörper (8) in einem Lagerkäfig (14) angeordnet sind und die mindestens eine aktive Schwingungsdämpfereinheit (16) in und/oder an dem Lagerkäfig (14) vorgesehen ist.
4. Wälzlager- oder Gleitlageranordnung (1; 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lager einen Abstandsring aufweist und die mindestens eine aktive Schwingungsdämpfereinheit (16) in und/oder an dem Abstandsring angeordnet ist.
5. Wälzlager- oder Gleitlageranordnung (1; 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktuator (22) ein Piezoaktuator ist.
6. Wälzlager- oder Gleitlageranordnung (1; 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schwingungsdämpfereinheit (16) als Piezoelement ausgebildet ist, das vorzugsweise in schwingungsbedingter verformungskraftübertragender Verbindung an dem Innenring (4) und/oder an dem Außenring (6) und/oder an mindestens einem der Wälzkörper (8) angeordnet ist.
7. Wälzlager- oder Gleitlageranordnung (1; 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (26) als Spannungsdetektor ausgebildet ist, der eine bei Verformung des Piezoelements entstehende Spannung detektiert.
8. Wälzlager- oder Gleitlageranordnung (1; 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (28) weiterhin eine Spannungsquelle, insbesondere einen Kondensator, aufweist, wobei die Spannungsquelle dazu ausgelegt ist, eine Spannung zu erzeugen und/oder eine Spannung zu speichern.
9. Wälzlager- oder Gleitlageranordnung (1) nach Anspruch 8, wobei das aktive
Schwingungsdämpferelement (16) ein Piezoelement ist und eine an dem Piezoelement über eine Schwingung des Innenrings (4) und/oder des Außenrings (6) und/oder mindestens eines der Wälzkörper (8) induzierte Spannung in der Spannungsquelle speicherbar ist.
10. Wälzlager (2) oder Gleitlager (21) für eine Wälzlager- oder Gleitlageranordnung (1;
11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Verfahren zum Dämpfen einer Schwingung in einem Wälzlager (2) oder Gleitlager (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten:
- Detektieren einer Schwingung des Wälzlagers (2) oder Gleitlagers (21), vorzugsweise mittels des Sensorelements (26);
- Bestimmen einer Gegenschwingung, vorzugsweise mittels des Steuerelements (28); und
- Ansteuern der aktiven Schwingungsdämpfereinheit (16) zur Erzeugung der Gegenschwingung, vorzugsweise mittels des Steuerelements (28),
dadurch gekennzeichnet dass der Schritt des Bestimmens und Erzeugens einer Gegenschwingung bei Schwingungen ausgeführt wird, deren Frequenz und/oder Amplitude einen bestimmten Schwellenwert überschreiten und/oder unterschreiten und/oder in einem bestimmten Bereich liegen.
12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Wälzlager (2) oder Gleitlager (21) mit einer als Piezoelement ausgebildeten Schwingungsdämpfereinheit (16) ausgestattet ist, mit folgenden Schritten:
- Eintragen einer durch eine Schwingung des Innenrings (4) und/oder des Außenrings (6) und/oder des mindestens einem Wälzkörpers (8) verursachten Verformungskraft auf das Piezoelement;
- Detektieren der durch die Verformungskraft erzeugten Verformung des Piezoele- ments, vorzugsweise mittels eines Spannungsdetektors (26);
- Bestimmen einer an das Piezoelement anzulegenden Spannung zur Erzeugung einer Gegenverformung, vorzugsweise mittels des Steuerelements (28);
- Anlegen der bestimmten Spannung an das Piezoelements zur Erzeugung der Gegenverformung des Piezoelements und einer Gegenverformungskraft, vorzugsweise mittels des Steuerelements (28); und
- Eintragen der über die Gegenverformung des Piezoelements erzeugten Gegenverformungskraft auf den Innenring (4) und/oder den Außenring (6) und/oder den mindestens einen Wälzkörper (8) des Wälzlagers (2) oder Gleitlagers (21).
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine Dämpfung der Schwingung über ein
rhythmisches Erzeugen von Gegenverformungskräften auf den Innenring (4) und/oder den Außenring (6) und/oder den mindestens einen Wälzkörper (8) des Wälzlagers (2) oder Gleitlagers (21) erfolgt.
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