DE102004054201A1 - Wälzlager mit in der Lagerringstirnseite integrierten Sensoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit integrierter Sensorik, bei dem zwischen einem feststehenden Lagerring (2) und einem drehbaren Lagerring (4) in einem Käfig (17) geführte Wälzkörper (3) angeordnet sind und bei dem in wenigstens einer Fläche der Lagerringe (2, 4) wenigstens eine Vertiefung (5, 6) zur Aufnahme von Sensoren ausgebildet ist, wobei zur kostengünstigeren Herstellung eines solchen Lagers die wenigstens eine Vertiefung (5, 6) in wenigstens einer Stirnseite (16) eines Lagerringes (2) ausgebildet ist.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit integrierter Sensorik, bei dem zwischen einem feststehenden Lagerring und einem drehbaren Lagerring in einem Käfig geführte Wälzkörper angeordnet sind, und bei dem in wenigstens einer Fläche der Lagerringe wenigstens eine Vertiefung zur Aufnahme von Sensoren ausgebildet ist.
• Hintergrund der Erfindung
• Aus der Literatur sind Mess- oder Sensorlager in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Üblicherweise sind diese Mess- oder Sensorlager als Wälzlager aufgebaut, die über einen feststehenden und einen drehbaren Lagerring verfügen, zwischen denen Wälzkörper angeordnet sind. Die Messmittel dieser Lager bestehen durchweg aus Dehnungsmessstreifen mit Widerstandsvollbrückenschaltungen, Temperatursensoren, sogenannten SAW- und BAW- Senoren (SAW = surface-acoustic-waves bzw. BAW = bulk-acoustic-waves) sowie Drehzahlsensoren im Form von einfachen Impulsgebern. Mit diesen Sensoren sind beispielsweise Kräfte, Drehzahlen, Drehgeschwindigkeiten und Temperaturen messbar. Sofern diese Sensoren an dem drehbaren Lagerring angeordnet sind, werden deren Messsignale direkt, oder aufbereitet durch einen am Lagerring angeordneten Mikrocomputer, über eine Sendevorrichtung aus dem drehenden System an ein ortsfestes System, beispielsweise an eine Auswerte- und Steuerungsvorrichtung, gesendet.
• Die genannten Sensoren werden üblicherweise in Vertiefungen bzw. Nuten in der Zylindermantelfläche eines der beiden Lagerringe derartig angeordnet, dass deren Befestigungsorte von den Wälzkörpern im Lagerbetrieb überrollbar sind. Bei diesem Vorbeirollen der kraftbelasteten Wälzkörper wirkt die von den jeweiligen Wälzkörpern auf den anderen Lagerring übertragene Kraft derart auf die Sensoren, dass charakteristische und sich periodische wiederholende Messsignalverläufe entstehen, durch deren Auswertung die oben genannten physikalischen Größen ermittelbar sind.
• Ein solches Sensorlager ist beispielsweise aus der DE 100 17 572 A1 bekannt, bei dem im Lageraußenring oder im Lagerinnenring in deren Zylindermantelflächen ringförmige Nuten ausgebildet sind, die zur beschriebenen Aufnahme von SAW- bzw. BAW-Sensoren dienen. Zudem sind Nuten an den stirnseitigen Flächen des jeweiligen Lagerringes ausgebildet, die zur Aufnahme einer Sendeantenne für den oder die SAW- bzw. BAW-Sensoren vorgesehen sind.
• Die übliche Anordnung der genannten Sensoren im Bereich der gekrümmten Zylindermantelflächen der Lagerringe ist vergleichsweise montage- und kostenaufwendig. Insbesondere das Aufbringen von dehnungsempfindlichen Widerstandsmessbrücken in Form von Dehnungsmessstreifen in die insbesondere bei kleinen Lagern schmalen Vertiefungen ist nicht unproblematisch. Die Nutzung der sogenannten Dünnschichttechnologie, bei der die Sensoren direkt durch das Aufbringen von dünnen Schichten auf den Nutboden der Lagerringvertiefung erzeugt werden, ist insbesondere bei gekrümmten Oberflächen technologisch aufwendig und damit ebenfalls mit vergleichsweise hohen Kosten verbunden. Schließlich ist als weiterer Nachteil bekannter Sensorlager mit drahtloser Messsignalübertragung anzuführen, dass bei diesen die Sensoren wie oben beschrieben in einer Nut in einer Zylindermantelfläche angeordnet sind und die Sendeantenne an eine Lagerstirnseite geführt werden muss, welches mit erhöhten Herstellkosten an dem betroffenen Lagerring verbunden ist.
• Aufgabe der Erfindung
• Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Sensorlager derartig weiterzubilden, dass dieses kostengünstiger als bekannte Sensorlager herstellbar ist. Zudem soll der Aufbau dieses Sensorlagers eine leichtere Zugänglichkeit zu seinen Sensoren, zu dortigen Signalbearbeitungseinrichtungen sowie kurze Signalwege zu einer gegebenenfalls vorhandenen Sendeantenne ermöglichen.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Die gestellte Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 durch ein Wälzlager mit integrierter Sensorik gelöst, bei dem zwischen einem feststehenden Lagerring und einem drehbaren Lagerring in einem Käfig geführte Wälzkörper angeordnet sind, und bei dem in wenigstens einer Fläche der Lagerringe wenigstens eine Vertiefung zur Aufnahme von Sensoren ausgebildet ist. Dabei ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Vertiefung in wenigstens einer Stirnseite eines Lagerringes ausgebildet ist.
• Durch diesen von der bisher üblichen Bauweise abweichenden Aufbau des Sensorlagers lassen sich die Sensoren leicht zugänglich, einfach und damit kostensparend in einer Vertiefung an wenigstens einer der beiden planen Stirn seiten eines Lagerrings anbringen. Diese planen Stirnseitenoberflächen bzw. der plane und nicht zylindermantelflächenförmig gebogene Boden der Vertiefungen eignen sich sehr vorteilhaft zur Aufnahme von Sensoren, die dort im sogenannten Dünnschichtverfahren aufgebaut bzw. aufgetragen werden. Auch das Befestigen von bekanntermaßen dünnen und fragilen Dehnungsmessstreifen wird durch den genannten Anbringungsort wesentlich erleichtert. Zudem kann vorteilhaft auf gesonderte oder vergleichsweise lange Verbindungsleitungen zu einer Sendeantenne sowie diesbezügliche Aufnahmenuten in dem Lagerring verzichtet werden.
• Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.
• Demnach ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Vertiefung an einer Stirnseite des feststehenden Lagerringes ausgebildet ist. Durch diesen Aufbau werden kostenaufwendige drahtlose Signalübertragungsmittel zur Übertragung der Signale der Sensoren an stationäre Auswerte- und Anzeigeeinrichtungen vermieden.
• Ein Wälzlager gemäß der Erfindung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass in die wenigstens eine Vertiefung als dehnungsempfindliche Widerstandsmessbrücken ausgebildete Kraftsensoren angeordnet sind. Mit deren Hilfe lassen sich in an sich bekannter Weise die auf das Wälzlager wirkenden Kräfte, Drehzahlen und Drehrichtungen des drehbaren Lagerringes ermitteln.
• Da zur Erkennung von plötzlich auftretenden Lagerschäden eine kontinuierliche Messung der Lagerkräfte üblicherweise nicht ausreicht, ist gemäß einer anderen Variante der Erfindung vorgesehen, dass zusätzlich zu den Widerstandsmessbrücken zumindest ein Temperatursensor und/oder zumindest ein Körperschallsensor in der wenigstens einen Vertiefung angeordnet ist. Die Messsignale dieser Sensoren ergänzen sich und liefern so ein umfassendes Abbild der aktuellen Lagerbelastungen und des Lagerzustandes. Zudem kann mit Hilfe der Messwerte des Temperatursensors eine gegebenenfalls zu verzeichnende Temperaturdrift der anderen Sensortypen erfasst und korrigiert werden.
• Hinsichtlich der exakten Messung der auf das Wälzlager einwirkenden Kräfte beziehungsweise der wirksamen Kraftkomponente aller dieser Kräfte ist bevorzugt vorgesehen, dass die Widerstandsmessbrücken in einer solchen Winkelteilung an der wenigstens einen Stirnfläche des vorzugsweise feststehenden Lagerringes angeordnet sind, welche der Winkelteilung der umlaufenden Wälzkörper in dem Wälzkörperkäfig entspricht. Auf diese Weise ist eine exakte Zuordnung zwischen den überrollten Widerstandsmessbrücken und den jeweiligen Wälzkörpern möglich.
• Um die letztlich wirksame Kraftkomponente am Wälzlager möglichst genau messen zu können, sieht die Erfindung vor, dass in der wenigstens einen stirnseitigen Vertiefung mit gleichem umfangsbezogenen Abstand mindestens drei Widerstandsmessbrücken angeordnet sind.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann zudem vorgesehen sein, dass die Widerstandsmessbrücken an den beiden Stirnseiten des feststehenden Lagerrings im Stirnseitenvergleich symmetrisch zueinander angeordnet sind. Durch die Verdopplung insbesondere der Kraftsensoren (Widerstandsmessbrücken) an den beiden Stirnseiten eines Wälzlagerringes lässt sich durch Addition der Signale der radial und axial unmittelbar benachbarten Sensoren die nutzbare Signalamplituden verdoppeln und/oder durch Vergleich derer Messsignale deren Relevanz bzw. Genauigkeit überprüfen und/oder die Genauigkeit des Messergebnisses verbessern.
• Bevorzugt ist zudem vorgesehen, dass der wenigstens eine Körperschallsensor und/oder der Temperatursensor umfangsbezogen zwischen zwei Widerstandsmessbrücken angeordnet ist.
• Eine andere Variante der Erfindung sieht vor, dass in der wenigstens einen Vertiefung in der Stirnfläche eines Lagerringes elektronische Schaltungen in Form von diskreten Mikrobauteilen oder in Form von einem Mikrocomputer angeordnet und mit den erwähnten Sensoren signaltechnisch verbunden sind. Diese Mikroelektronik dient der Messsignalverstärkung, der Berechnung der Temperaturkompensation, der Linearisierung der Messsignale bzw. der Signalverläufe und/oder der Analog-Digital-Wandlung.
• Vorzugsweise sind dazu die elektronischen Schaltungen und/oder der Mikrocomputer umfangsbezogen zwischen jeweils zwei Widerstandsmessbrücken angeordnet.
• Die mehrfach genannten Vertiefungen zur Aufnahme der Sensoren und/oder der elektronischen Schaltungen bzw. des Mikrocomputers können als umlaufende Ringnut oder als eine Reihe von diskreten Vertiefungen in den Lagerstirnseiten ausgebildet sein.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. Darin zeigt
• 1 einen Querschnitt durch ein schematisch dargestelltes Sensorlager gemäß der Erfindung,
• 2 eine stark vereinfachte Stirnseitenansicht des Sensorlagers gemäß 1, in der die Umfangsverteilung der Wälzkörper des Lagers sowie der Sensoren ersichtlich ist,
• 3 einen Querschnitt durch einen Lageraußenring mit einer stirnseitigen Nut und darin angeordneten Sensoren, sowie
• 4 eine Stirnseitenansicht des Sensorlagers, in der die Anordnung der Wälzkörper und der Messwiderstände von Widerstandsmessbrücken erkennbar ist.
• Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
• Das beispielhaft dargestellte Sensorlager umfasst demnach einen an einem Bauteil 1 festgelegten Außenring 2 und einen drehbaren Innenring 4, zwischen denen in einem Käfig 17 gehaltene Wälzkörper 3 umfangsverteilt angeordnet sind. Der Innenring 4 trägt eine Welle 7, die zumindest durch ihr Eigengewicht eine Kraft F auf die genannten Wälzlagerbauteile ausübt.
• Der feststehende Außenring 2 weist an seinen beiden Stirnseiten 16 Vertiefungen 5 und 6 auf, die hier als umlaufende Nuten ausgebildet sind. In diesen Vertiefungen sind Sensoren und gegebenenfalls eine Elektronik zur Verarbeitung der von den Sensoren erzeugten Signale sowie eine Sendeantenne angeordnet. Die Sensoren sind in 1 ganz allgemein mit den Bezugsziffern 8 und 9 bezeichnet. Diese Darstellung verdeutlich besonders gut, dass durch die Anordnung der Vertiefungen 5, 6 an den Lagerringstirnseiten 16 die Sensoren 8, 9 einfach und kostensparend auf den Planflächen dieser Vertiefungen befestigt oder aufgebaut werden können.
• Mit Hilfe dieser Sensoren 8, 9 können vorzugsweise Kräfte, Momente, Temperaturen, Drehzahlen, Drehgeschwindigkeiten und Drehrichtungen gemessen werden, die unter anderem zur Beurteilung der Lebensdauer des Lagers und zur Steuerung und Regelung einer hier nicht dargestellten Maschine dienen, deren Bestandteil die Welle 7 ist.
• Wie die 2 und 3 verdeutlichen, sind die beispielsweise in der Vertiefung 5 angeordneten Sensoren 8 und 9 beispielsweise als Widerstandmessbrücken 10 bis 15 ausgebildet, deren Messwiderstände R1, R2, R3 und R4 paarweise radial hintereinander angeordnet sind. Zwischen diesen Widerstandspaaren R1 und R3 bzw. R2 und R4 ist die Messspannung in bekannter Weise abgreifbar. Diese Messspannung weist im Betrieb des Lagers einen sinusförmigen, dreieckförmigen oder daraus überlagerten Signalverlauf auf.
• 3 zeigt diese radiale Anordnung der Widerstandspaare R1 und R3 bzw. R2 und R4, wobei radial zwischen diesen beiden Widerstandspaaren und/oder in einem umfangsbezogenen Abstand zwischen diesen beiden Widerstandspaaren eine mikroelektronische Auswerteschaltung IC angeordnet ist. Diese Auswerteschaltung kann auch als Mikrocomputer ausgebildet sein, wobei wegen deren größeren Abmessungen wie dargestellt eine Anordnung umfangsbezogen zwischen den jeweiligen Widerstandsmessbrücken bevorzugt wird.
• 3 zeigt zudem, dass in den Vertiefungen 5, 6 auch Temperatursensoren 18 und die eingangs genannten Körperschallsensoren 19 angeordnet sein können. Die in 3 dargestellte geometrische Anordnung dieser Sensoren 18, 19 ist nur beispielhaft und kann an die vorhandenen Platzverhältnisse und die Messerfordernisse angepasst werden.
• Hinsichtlich des Temperatursensors 18 soll hier angemerkt werden, dass durch die Ausbildung der Widerstandsmessbrücken 10 bis 15 als Widerstandsvollbrücken zwar ein temperaturkompensiertes Signal eines jeden solchen Sensors vorliegt. Da jedoch Einbaugegebenheiten für das Wälzlager nicht ausgeschlossen sind, bei denen das das Lager aufnehmende Bauteil 1 selbst eine temperaturabhängige Kraft auf das Lager ausübt, kann eine Temperaturdrift der auf das Lager wirkenden Kraft erwartet werden. Aus diesem Grunde ist zur Erzielung einer höheren Messgenauigkeit ein in das Wälzlager integrierter gesonderter Temperatursensor 18 sinnvoll.
• Der wenigstens eine zusätzlich in der Vertiefung 5, 6 des Sensorlagers angeordnete Körperschallsensor 19 liefert ein Messsignal, aus dem sich Informatio nen über den Oberflächenzustand der Wälzlagerlaufflächen und der Wälzkörper 3 ableiten lassen. Mit deren Hilfe kann eine Aussage über einen gegebenenfalls bald zu erwartenden Lagerausfall abgeleitet werden.
• Die genannte Sensorik ist vorzugsweise an den Stirnseiten des feststehenden Wälzlagerringes 2 angeordnet, wenngleich auch der drehbare Lagerinnenring 4 in der beschriebenen Weise mit diesen Sensoren und mit den genannten Vorteilen bestückbar ist. Im letzteren Fall ist jedoch eine an sich bekannte Vorrichtung zur drahtlosen Signalübertragung bzw. von gegebenenfalls vorverarbeiteten Sensorsignalen beispielsweise in digitaler Form sinnvoll, die ebenfalls in der Vertiefung 5 und/oder 6 untergebracht ist.
• Wie 2 und 4 verdeutlichen, sind insbesondere die Widerstandsmessbrücken 10 bis 15 in einer stirnseitigen Vertiefung 5, 6 des Sensorlagers derartig angeordnet, dass deren Winkelteilung "a" derjenigen der Wälzkörper 3 in dem Lager entspricht. Dies bedeutet, dass bei still stehendem Wälzlager die Wälzkörper derart zu den Widerstandsmessbrücken 10 bis 15 ausrichtbar sind, dass radial unter jeder Widerstandsmessbrücke 10 bis 15 ein Wälzkörper 3 steht.
• Selbstverständlich ist eine solche Anordnung sowohl bei teil- als auch bei vollrolligen Wälzlagern möglich. Weiter kann ein solches Sensorlager wie dargestellt als Rollen- oder Nadellager, oder als Rillen- bzw. Schrägkugellager ausgebildet sein.
• Auf den Umfang mit gleicher Winkelteilung verteilt sind zumindest drei Widerstandsvollbrücken 10, 13 und 14, mit deren Hilfe die auf das Wälzlager wirkende Kraft F' sicher ermittelbar ist. In dem hier gewählten Beispiel beträgt der Winkelabstand zwischen den drei Widerstandsvollbrücken 10, 13 und 14 genau 120º. Dazu werden die von den genannten Widerstandsvollbrücken 10, 13 und 14 gemessenen Kräfte F1, F2 und F3 beispielsweise in der elektronischen Schaltung IC wie hier nur schematisch dargestellt in ihre Kraftkomponenten F1', F2' und F3' zerlegt und vektoriell zu der resultierenden Kraft F' addiert.
• Durch die in 1 gezeigte symmetrische Anordnung der beschriebenen insbesondere Kraftsensoren (Widerstandsmessbrücken oder Körperschallsensoren) an den beiden Stirnseiten des Lagerringes 2 lässt sich die Anzahl gleicher Messsignale verdoppeln, welches zur Plausibilitätsüberprüfung der einzelnen Messsignale und/oder durch Addition der einander umfangsbezogen zugeordneten Signale vorteilhaft zu einer Verdopplung der Signalamplitude führen kann.
• Darüber hinaus kann durch paarweises Anbringen von Widerstandsmessbrücken 10 und 11 oder 12 und 13 oder 14 und 15 jeweils ein weiteres, jedoch um +90º oder –90º phasenverschobenes Messsignal gewonnen werden, aus deren Phasenverschiebung zum zugeordneten Messsignal der unmittelbar benachbarten Widerstandsmessbrücke die Drehrichtung des Wälzlagers abgeleitet werden kann.

1

Bauteil

2

Außenring

3

Wälzkörper

4

Innenring

5

Vertiefung

6

Vertiefung

7

Welle

8

Sensor

9

Sensor

10

Widerstandsmessbrücke

11

Widerstandsmessbrücke

12

Widerstandsmessbrücke

13

Widerstandsmessbrücke

14

Widerstandsmessbrücke

15

Widerstandsmessbrücke

16

Stirnseite

17

Käfig

18

Temperatursensor

19

Körperschallsensor

a

Winkelverteilung

F

Kraft

IC

Elektronische Schaltung, Mikrocomputer

R1

Elektrischer Widerstand

R2

Elektrischer Widerstand

R3

Elektrischer Widerstand

R4

Elektrischer Widerstand

Claims (11)

1. Wälzlager mit integrierter Sensorik, bei dem zwischen einem feststehenden Lagerring (2) und einem drehbaren Lagerring (4) in einem Käfig (17) geführte Wälzkörper (3) angeordnet sind, und bei dem in wenigstens einer Fläche der Lagerringe (2, 4) wenigstens eine Vertiefung (5, 6) zur Aufnahme von Sensoren ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vertiefung (5, 6) in wenigstens einer Stirnseite (16) eines Lagerringes ausgebildet ist.
2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vertiefung (5, 6) an einer Stirnseite des feststehenden Lagerringes (2) ausgebildet ist.
3. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der wenigstens einen Vertiefung (5, 6) als dehnungsempfindliche Widerstandsmessbrücken (10 bis 15) ausgebildete Kraftsensoren (8, 9) angeordnet sind.
4. Wälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Widerstandsmessbrücken (10 bis 15) zumindest ein Temperatursensor (18) und/oder zumindest ein Körperschallsensor (19) in der wenigstens einen Vertiefung (5, 6) angeordnet ist.
5. Wälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmessbrücken (10 bis 15) in einer solchen Winkelteilung an der wenigstens einen Stirnfläche (16) des einen Lagerringes (2) angeordnet sind, die der Winkelteilung (a) der umlaufenden Wälzkörper (3) entspricht.
6. Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der wenigstens einen stirnseitigen Vertiefung (5, 6) mit gleichem umfangsbezogenen Abstand mindestens drei Widerstandsmessbrücken (10, 13, 14) angeordnet sind.
7. Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmessbrücken (10 bis 15) an den beiden Stirnseiten (16) des feststehenden Lagerrings (2) im Stirnseitevergleich symmetrisch zueinander angeordnet sind.
8. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschallsensor (19) und/oder Temperatursensor (18) umfangsbezogen zwischen zwei Widerstandsmessbrücken (10, 13, 14) angeordnet ist.
9. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der wenigstens einen Vertiefung (5, 6) elektronische Schaltungen und/oder ein Mikrocomputer (IC) zur Signalverstärkung, Temperaturkompensation, Linearisierung der Signalverläufe und/oder Analog-Digital-Wandlung angeordnet sind.
10. Wälzlager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schaltungen und/oder der Mikrocomputer (IC) umfangsbezo gen zwischen jeweils zwei Widerstandsmessbrücken (10 bis 15) angeordnet sind.
11. Wälzlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vertiefung (5, 6) zur Aufnahme der Sensoren und/oder der elektronischen Schaltungen bzw. des Mikrocomputers (IC) als umlaufende Nut ausgebildet ist.