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DE10243095A1 - Wälzlager mit intergrierter Zustandsmessung - Google Patents

Wälzlager mit intergrierter Zustandsmessung Download PDF

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DE10243095A1
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Abstract

Wälzlager mit einer ersten Lagerschale (1, 2), mit dieser in Wälzkontakt stehenden Wälzkörpern (4) und mit einer in das Wälzlager integrierten Sensorik, wobei die erste Lagerschale einen inneren (2) und einen äußeren (1) Teil aufweist, welche zueinander schalenförmig ineinanderliegend angeordnet sind, und zwischen denen die integrierte Sensorik als kraftsensitive Messschicht (3) ausgeführt angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, welches über eine integrierte Sensorik verfügt, um im Wälzlager Zustandsmessungen durchzuführen.
  • Aus der Europäischen Offenlegungsschrift EP 1 148 261 A2 ist es bekannt, im Wälzlager auftretende Kräfte in indirekter Weise dadurch zu messen, dass die Verformung der Lagerschalen des Wälzlagers in einem Verfahren der Surface Acoustic Wave (SAW) Messmethodik durchgeführt wird. Nachteilig ist hierbei, dass diese indirekte Art der Messung über die Verformung der Lagerschalen eine aufwendige Messtechnik erfordert.
  • Aus dem Deutschen Patent DE 199 25 460 C2 ist ferner bekannt, die Messung zwar in direkter Weise durchzuführen, jedoch die Sensorik direkt im Laufkontakt des Wälzkörpers anzuordnen. Bei dieser Lösung ist zum einen von Nachteil, dass für diese Lösung ein Multila genaufbau erforderlich ist und sie somit aufwendig ist. Zum Zweiten kann die verwendete dünne Sensorschicht im Wälzkontakt im Laufe der Betriebsdauer Veränderungen erfahren und somit aufwendige Neukalibrationen der Meßvorrichtung erforderlich machen. Es kann sogar ein Totalausfall durch die Zerstörung der Sensorschicht erfolgen.
  • Alle diese Nachteile bringen eine erhöhte Fehleranfälligkeit und höhere Kosten bei der Produktion und im laufenden Betrieb mit sich.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung anzugeben, welche durch die Verwendung direkter Kraftmessung eine Wälzlager-integrierte Zustandsmessung bereitstellt, wobei insbesondere die im Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Wälzlager nach Patentanspruch 1 und das Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers nach Patentanspruch 13 gelöst.
  • Dadurch, dass das Wälzlager eine erste Lagerschale aufweist, welche einen inneren und einen äußeren Teil aufweist, wobei der innere und der äußere Teil so zueinander räumlich angeordnet sind, dass sie schalenartig ineinander liegen, und wobei ferner zwischen dem vorgenannten äußeren und inneren Teil der ersten Lagerschale eine kraftsensitive Messschicht angeordnet ist, ist eine Anordnung gefunden, welche die direkte Druckmessung von auf die Lagerschale ausgeübten Kräften ermöglicht, ohne dass die Kraftmesssensorik der direkten mechanischen Beanspruchungen im Wälzkon takt ausgesetzt ist. Ferner wird durch diesen Aufbau der Vorteil erreicht, dass die als kraftsensitive Messschicht ausgeführte Kraftmesssensorik während der Herstellung in technisch besonders einfacher und kostengünstiger Weise aufgebaut werden kann, beispielsweise dadurch, dass die sensorischen Schichten einfach auf die exponierte Oberfläche des inneren undloder äußeren Teiles der ersten Lagerschale des Wälzlagers durch produktionstechnisch bewährte Beschichtungsverfahren erfolgen kann.
  • Von dieser, letztgenannten vorteilhaften Eigenschaft wird im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren Gebrauch gemacht: Es wird nach diesem Verfahren dadurch eine Lagerschale mit integrierter Kraftsensorik hergestellt, dass ein erstes schalenförmiges Formteil ausgewählt wird, auf dessen einen Seite eine kraftsensitive Messschicht aufgebracht wird und dann ein zweites Formteil so mit dem ersten Formteil zusammengebracht wird, dass die kraftsensitive Messschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Formteil liegt und beide Formteile zusammen eine erste Lagerschale des Wälzlagers bilden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind nach den Unteransprüchen möglich und werden im Folgenden kurz erläutert:
    Eine kostensparende technische Weiterbildung sieht vor, die Messschicht nur in lokalen Bereichen zwischen dem inneren und äußeren Teil der ersten Lagerschale anzuordnen, so dass sich die Messschicht nur teilweise über die Grenzfläche zwischen dem inneren und dem äußeren Teil der Lagerschale erstreckt und seitlich, d.h. außerhalb der lokalen Bereiche der Messschicht von einer Isolationslage eingefasst ist.
  • Durch die Verwendung der Isolationslage in dieser Weiterbildung wird zum einen elektrische Isolation des Messschichtbereiches von anderen Bereichen erreicht und zum anderen eine ebenmäßige Schicht im Zusammenspiel mit den lokalen Messschichtbereichen hergestellt.
  • Eine alternative vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, die Messschicht über den gesamten Grenzflächenbereich aus innerem und äußerem Teil der ersten Lagerschale auszuführen, was produktionstechnisch besonders leicht zu realisieren ist.
  • Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, für die kraftsensitive Messschicht das Prinzip eines druckabhängigen elektrischen Widerstandes und seiner Messung zu verwenden und dazu Elektroden zur Messung des Widerstandes im Bereich der kraftsensitiven Messschicht vorzusehen, welche mit der Messschicht elektrisch verbunden sind. Dabei ist erforderlich, die Elektroden mit Leiterbahnen elektrisch zu verbinden, wobei besonders in Verbindung mit der Ausbildung der kraftsensitiven Messschicht in Schichttechnik bewährte Methoden zur Herstellung der Leiterbahnen aus der Leiterplattentechnik zur Verwendung kommen können.
  • Um sicherzustellen, dass der äußere Teil und der innere Teil der ersten, zweigeteilten, Lagerschale in ihrer Position relativ zueinander nicht im Betrieb des Wälzlagers verschoben werden, ist es vorteilhaft, das Wälzlager dahingehend weiterzubilden, dass in sowohl dem inneren als auch dem äußeren Teil jeweils an den einander zugewandten Seiten dieser Teile eine Nut eingearbeitet ist, so dass im zusammengesetzten Zustand diese Nuten einander gegenüberliegen. Durch die Einfügung eines Keils, der in beide Nuten sicher ein greift und diese miteinander verbindet, sind die beiden Teile gegen eine relative Bewegung zueinander gesichert.
  • Alternativ und/oder flankierend kann der vorgenannte innere und der äußere Teil der ersten Lagerschale dadurch gegen eine relative Bewegung zueinander gesichert werden, dass die zueinander gewandten Oberflächen mit jeweils gegenläufigen Profilen versehen sind, so dass eine formschlüssige Verbindung entsteht.
  • In einer Wälzlagervorrichtung, bei der zwei Lagerschalen miteinander über Wälzkörper zwischen den Lagerschalen in Wälzkontakt stehen, ist es eine besonders vorteilhafte Anordnung, die äußere der beiden Lagerschalen mit der Messschicht in vorbeschriebener Weise auszustatten. Es kann hierdurch eine bessere Ortsauflösung bei der Druckmessung erreicht werden. Es ist ferner möglich, die Vorrichtung so auszubilden, dass die Messschicht auch in der zweiten, inneren Lagerschale aufgebaut ist oder ausschließlich in der inneren Lagerschale wie vorstehend beschrieben, ausgeführt wurde. Auf diese Weise wird eine hohe Flexibilität für verschiedene konkrete Messanwendungen gewährleistet und die elektrische Anbindung der Messschicht bzw. der mit dieser in Kontakt stehenden elektrischen Kontaktierungen und Leiterbahnen von außerhalb des Wälzlagers vereinfacht.
  • Zusätzlich zur Kraftsensorik kann vorteilhafterweise auch eine Temperatursensorik vorgesehen sein. Dabei kann die Temperaturabhängigkeit der Kraftsensorik der Messschicht selbst ausgenutzt werden oder separate Temperatursensoren, etwa in einer Ausnehmung des inneren oder äußeren Lagerschalenteils, vorgesehen sein.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen oder vorteilhaft weitergebildeten Wälzlagers ist produktionstechnisch besonders in Hinblick auf die Ausführung der Sensorik als kraftsensitive Messschicht besonders günstig ausgeführt, wenn zusätzlich zur kraftsensitiven Messschicht auf der Oberfläche, auf der die Messschicht angebracht wird, alternativ oder gleichzeitig Elektroden, elektrische Leiterbahnen und/oder elektrische Kontakte aufgebracht werden. Elektroden, elektrische Leiterbahnen und/oder elektrische Kontakte können dabei durch die produktionstechnisch bewährten Methoden der Laserstrukturierung sowie der fotolithografischen Methoden erfolgen.
  • Die vorteilhafte produktionstechnische Anwendbarkeit einer durchgängig ausgeführten Schichttechnik kann dann erzielt werden, wenn eine abschließende Isolationsschicht auf die kraftsensitive Messschicht aufgebracht wird, wobei elektrische Kontakte und Leiterbahnen, die mit der Messschicht direkten Kontakt haben, ebenfalls von der Isolationsschicht abgedeckt werden. Es erstreckt sich also die Isolationsschicht sowohl über die Messschicht als auch über die Kontakte und/oder Leiterbahnen.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Wälzlagers sieht vor, einen integrierten Schaltkreis zur Signalverarbeitung, etwa zur Aufbereitung der durch Krafteinwirkung bewirkten elektrischen Veränderungen, und/oder zur drahtlosen Übertragung der Messsignale vorzusehen. Dabei ist besonders vorteilhaft, den integrierten Schaltkreis im Lager in geeigneter Weise, beispielsweise in einer Ausnehmung des inneren und/oder äußeren Teilringes, zu integrieren.
  • Die verwendeten Isolationsmaterialien sowohl für die abschließende Isolationsschicht als auch für die seitlich die lokalen Messschichtbereiche einfassenden Isolationslagen bestehen dabei besonders vorteilhafter Weise aus einer Auswahl von Titandioxid (TiO2), Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3), und/oder Siliziumdioxid (SiO2). Das Isolationsmaterial kann auch als Material aus Kohlenwasserstoff bestehen, welches Elemente aus Silizium, Sauerstoff und/oder Stickstoff enthält und beispielsweise unter der Marke SICON® bekannt ist.
  • Die Erfindung und vorteilhafte Weiterbildungen werden nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Wälzlager mit vollflächiger kraftsensitiver Messschicht, wobei ferner der innere und der äußere Teil der äußeren Lagerschale durch eine Nut-Keil-Sicherung gegen relative Bewegungen zueinander gesichert sind,
  • 2 einen Querschnitt durch ein Wälzlager, bei dem die kraftsensitive Messschicht so ausgeführt ist, dass Messschichtbereiche lokal aufgebracht und jeweils seitlich von Isolationslagen eingefasst sind,
  • 3 einen Detail-Querschnitt durch den ersten Teil einer Lagerschale, den zweiten Teil einer Lagerschale, wobei letztere mit Wälzkörpern direkt in Wälzkontakt steht, und wobei ferner die Ausgestaltung lokal definierter Auflageflächen näher dargestellt ist,
  • 3a eine Variante des in 3 Gezeigten, wobei definierte Auflagenflächen durch die Profilierung des zweiten Teils der Lagerschale erzeugt werden,
  • 4 einen Detail-Querschnitt durch einen Teil der mit einer draufliegenden Sensorschicht versehenen Lagerschale, darauf elektrisch in Kontakt aufgebrachten Sensoren und wiederum darauf und seitlich die Sensoren umgebend eine Isolationsschicht, sowie
  • 5 verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten von die Messschicht kontaktierenden elektrischen Kontakten und angeschlossenen Leiterbahnen als Draufsicht auf eine Messschicht.
  • In 1 ist ein Querschnitt durch ein Wälzlager dargestellt mit einer ersten Lagerschale 1, 2, 3, welche ihrerseits aus einem inneren Teil 2 und einem äußeren Teil 1 besteht, welche schalenförmig ineinander liegen und durch eine Messschicht 3 voneinander getrennt sind. Dabei ist die Messschicht 3 vollflächig entlang der Grenzfläche aus dem inneren Teil 2 und dem äußeren Teil 1 ausgeführt. Die der Messschicht abgewandte Seite des inneren Teiles 2 steht in Wälzkontakt mit Wälzkörpern 4, welche wiederum mit einer weiteren Lagerschale 5 in Wälzkontakt stehen.
  • Der äußere Teil 1 sowie der innere Teil 2 weisen einander gegenüberliegende Nuten auf, die durch einen in beide Nuten hineinfassenden, die Nuten verbindenden Keil 6 auf. Auf diese Weise wird der innere Teil 2 und der äußere Teil 1 der ersten Lagerschale gegen Verschiebung zueinander (relative Bewegung) gesi chert.
  • Für die Herstellung des in 1 Gezeigten wurde auf die Oberfläche, zur Messschichtseite bestimmte Oberfläche durch gängige Beschichtungstechniken eine kraftsensitive Messschicht, beispielsweise ein druckabhängiger elektrischer Widerstand, aufgebracht. Der äußere Teil 1 der Lagerschale 1, 2, 3 wurde auf den beschichteten Innenteil 2, 3 unter Anwendung bekannter Erwärmungs- und Schrumpfverfahren formschlüssig montiert. Dadurch erhält die kraftsensitive Messschicht eine Vorspannung, die jedoch für die spätere Zustandsmessung nicht nachteilig ist.
  • Durch diese Zweiteilung der Lagerschale 1, 2, 3 in einen inneren Teil 2 und einen äußeren Teil 1, welcher ebenso alternativ oder gleichzeitig für die innere Lagerschale 5 ausgeführt werden kann, und dadurch, dass entsprechend eine kraftsensitive Messschicht im Inneren dieser Zweiteilung vorgesehen ist, kann bei entsprechender Dimensionierung desjenigen Lagerschalenteiles, welches im Wälzkontakt zu den Wälzkörpern steht (in diesem Falle der innere Lagerschalenteil 2), eine Kraftübertragung an die Messschicht erfolgen und somit eine direkte Messung des Druckes vorgenommen werden, ohne dass die Wälzlagerkontaktflächen im laufenden Betrieb verändert werden und/oder eine Beeinträchtigung der Lebensdauer oder des Betriebszustandes des Lagers erfolgt.
  • Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom in 1 gezeigten zum einen darin, dass anstelle der Nut- und Keil-Sicherung gegen relative Bewegung zueinander im inneren Teil 2 und äußeren Teil 1 der äußeren Lagerschale 1, 2, 3 in nicht näher dargestellter Weise auf beiden mess schichtseitigen Oberflächen jeweils des inneren Teils 2 und des äußeren Teils 1 eine Profilierung mit bekannten mechanischen Verfahren gezielt hineinstrukturiert wurde.
  • Zum Zweiten unterscheidet sich das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel darin, dass die kraftsensitive Messschicht 3 lediglich in lokalen Bereichen zwischen dem inneren Lagerschalenteil 2 und dem äußeren Lagerschalenteil 1 angeordnet ist, und die lokalen kraftsensitiven Messschichtbereiche jeweils seitlich durch Isolationslagen 7 eingefasst sind, derart, dass die Isolationslagen zusammen mit den Messschichtbereichen eine ebenmäßige Schicht bilden. Die separierten Messschichtbereiche können mit entsprechenden Dünnschichtelektroden einzeln ausgewertet werden. Es kann auch eine geeignete Abstufung der Einzelwiderstände der verschiedenen Messbereiche vorgenommen werden, welche in einer Parallelschaltung ausgewertet werden können.
  • Die Isolationsschicht ist elektrisch isolierend und hergestellt aus einer Auswahl der Materialien Titandioxid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und/oder einem diamantartigen Isolationsmaterial (DLC), das unter dem Handelsnamen SICON® bekannt ist, hergestellt sein.
  • Zum Dritten ist auf den äußeren Lagerschalenteil 1 auf der der Messschicht abgewandten Oberfläche eine Isolationsschicht 8 aufgebracht. Diese Isolationsschicht kann auch als Isolationskörper ausgeführt sein.
  • Die lediglich lokale Aufbringung von Messschichtbereichen hat den Vorteil, eine sehr dünne Messschicht zu realisieren, die gleichzeitig hart, elastisch und verschleißfest ist und deren Dicke für die produktionstechnisch besonders geeignete Schrumpfmontage angepasst werden kann.
  • 3 zeigt einen Detailquerschnitt durch den äußeren Lagerschalenteil 1, den inneren Lagerschalenteil 2, welcher in Wälzkontakt zu den Wälzkörpern 4 steht, sowie die zwischen dem äußeren und dem inneren Lagerschalenteil befindliche Messschicht 3.
  • Dargestellt ist insbesondere die Formgebung der messseitigen Oberflächen der Lagerschalenteile 1 und 2 sowie der Messschicht 3. Durch entsprechende Formgebung des Lagerschalenteils 2 mit der darauf befindlichen kraftsensitiven Messschicht 3 und komplementärer Formgebung des äußeren Lagerschalenteils 1 werden Ausformungen 3a gebildet, welche aus der Richtung der Krafteinwirkung konvex bzw. erhaben sind und dabei verschiedene Formgebung haben können, bevorzugter Weise – und hier dargestellt – von annähernd quadratischer oder rechteckiger Querschnittsfläche und/oder Grundriss sowie mit abgerundeter Querschnittsfläche und/oder rechteckigem oder rundem Grundriss. Es wird dadurch vorteilhafter Weise erreicht, dass eine Relativbewegung der beiden Teile der geteilten Lagerschale verhindert wird.
  • In einer weiteren Ausführungsvariante, wie sie in 3a dargestellt ist, wird eine Profilierung durch Ausformungen der Oberfläche nur bei dem Teil 2 der geteilten Lagerschale 1, 2, 3 vorgenommen, wobei das Teil 1 der geteilten Lagerschale 1, 2, 3 eine glatte Oberfläche erhält. Es entstehen dadurch definierte Auflageflächen 3a. In diesem Fall kann die Auflage- bzw. Kontaktfläche variiert werden, so dass sich ein besonders günstiger Empfindlichkeitsbereich der Messschicht erzielen lässt. Dies ist besonders vorteilhaft hinsichtlich des Umstandes, dass eine diamantartige Kraftmessschicht nicht linearen, sondern exponentiellen Charakter hat. Ferner können integrierte Schaltkreise, deren Verwendung im Rahmen dieser Erfindung vorgeschlagen wird, besonders vorteilhaft in den Bereichen zwischen den definierten Auflageflächen 3a angeordnet werden.
  • Durch eine gezielte Verteilung solcher Ausformungen, etwa durch Bildung lokaler Häufungen an der Oberfläche des Lagerschalenteils kann auf diese Weise die Druckempfindlichkeit der Messschicht für bestimmte Teile der Lagerschale bereits bei deren Herstellung exakt eingestellt werden. Dadurch kann rechentechnischer Aufwand bei der Auswertung solcher Signale reduziert werden.
  • 4 zeigt einen Detailquerschnitt aus innerem Lagerschalenteil 2, einer angrenzenden Zwischenschicht 10, welche im vorliegenden Fall als Haftschicht dient, jedoch weitere Funktionen, wie z.B. die einer Elektrode im Falle keramischer Lager mit isolierenden Lagerschalen, ebenso einnehmen kann, der kraftsensitiven Messschicht 3 und darauf angeordneten, elektrisch mit der kraftsensitiven Haftschicht in Verbindung stehenden Kontakten 9. Die elektrischen Kontakte 9 sind außerhalb ihrer Kontaktierungsfläche, in diesem Beispiel seitlich und von oben, gegenüber weiteren Vorrichtungselementen und gegeneinander durch die Isolationsschicht 8, die aus den gleichen Materialien wie die Isolationslagen 7 bestehen kann, elektrisch isoliert.
  • Diese Elektroden 9 können beispielsweise die in 5
  • dargestellten Formen annehmen. In 5 ist in Draufsicht ein Abschnitt der kraftsensitiven Messschicht 3 dargestellt. Darauf aufgebracht sind verschiedene Formen von Elektroden 9. Diese können als lokal aufgebrachte, elektrisch leitfähige Schichten oder Flachkörper ausgeführt sein, etwa von ovalem, quadratischem, rechteckigem Grundriss oder auch selbst als für die Messung besonders vorteilhaft geführte Leiterbahn realisiert sein (Darstellung in der Skizze von links nach rechts).
  • Die Elektroden dienen zur Messung des in der kraftsensitiven Messschicht entstehenden elektrischen Widerstandes als Funktion der auf die Lagerschale und damit auf die kraftsensitive Messschicht einwirkenden Kraft. Über die in 5 gestrichelt angedeuteten Leiterbahnen werden die in den Elektroden entstehenden Messsignale vom Äußeren der Messschicht her zugänglich gemacht. Die Elektroden und elektrisch damit verbundenen Leiterbahnen sind gegen Masse und gegeneinander in der vorbeschriebenen Weise elektrisch isoliert. Mehrere Elektroden zur Messung des kraftabhängigen elektrischen Widerstandes sind dabei so räumlich zueinander angeordnet, dass der elektrische Widerstand eines Teilbereiches der Messschicht, welcher eine Grenzfläche mit der jeweiligen Elektrode bildet, sehr klein ist gegenüber dem Widerstand eines Teilbereiches der Messschicht, der jeweils zwischen zwei benachbarten Elektroden entstehen würde.
  • Da der Messstrom äußerst klein sein kann, etwa irn Größenbereich einiger μA, können die elektrischen Dünnschichtleitungen sehr schmal (etwa 1 μm Breite) und sehr dünn (etwa 10 nm Dicke) ausgeführt werden.
  • Das Aufbringen der Leiterbahnen und/oder der elektri schen Kontakte kann dabei durch die bekannten Methoden der Beschichtungstechnik und/oder der Laserstrukturierung und/oder der fotolithografischen Methoden erfolgen.
  • Zur Herstellung der lokalen Messschichtbereiche 3, welche seitliche durch Isolationslagen 7 eingefasst sind, wie in 2 dargestellt, ist es einerseits möglich, zunächst lokal kraftsensitive Messschichtbereiche auf die Oberfläche eines Lagerschalenteils 1 und/oder 2 aufzubringen und diese gleichzeitig oder danach mit Isolationslagen 7 zu umgeben; denkbar ist auch die umgekehrte Reihenfolge, zuerst Isolationslagen 7 lokal aufzubringen und zwischen diesen Messschichtbereiche 3 aufzubringen.
  • Für sämtliche Formen der kraftsensorischen Messschicht können diamantartige kraftsensorische Schichten oder metalldotierte diamantartige kraftsensorische Schichten verwendet werden. Zur Herstellung kommen beispielsweise ARC-, Sputter- und Gasflussverfahren, sowie Plasma-CVD-Verfahren in Betracht. Bezüglich möglicher Schichtmaterialien für die kraftsensitive Messschicht wird ausdrücklich auf die DE 199 54 164 A1 verwiesen, in welcher eine Fülle von Materialien für die Verwendung angegeben ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird lediglich auf diese veröffentlichte Anmeldung Bezug genommen, deren sämtliche Einzelheiten in Bezug auf das Material in die vorliegende Anmeldung inkorporiert werden soll.

Claims (21)

  1. Wälzlager mit einer ersten Lagerschale (1, 2), mit dieser in Wälzkontakt stehenden Wälzkörpern (4) und mit einer in das Wälzlager integrierten Sensorik dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lagerschale einen inneren (2) und einen äußeren (1) Teil aufweist, welche zueinander konzentrisch sind und zwischen denen die integrierte Sensorik als kraftsensitive Messschicht (3) ausgeführt angeordnet ist.
  2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschicht (3) eine diamantartige, auf Kohlenwasserstoff basierende Schicht ist.
  3. Wälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschicht (3) metalldotiert ist.
  4. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschicht (3) sich nur teilweise über die Grenzfläche zwischen dem inneren (2) und dem äußeren (1) Teil der ersten Lagerschale (1, 2) erstreckt und seitlich von einer Isolationslage (7) eingefasst ist.
  5. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschicht (3) sich vollständig über die Grenzfläche zwischen dem inneren (2) und dem äußeren (1) Teil der ersten Lagerschale erstreckt.
  6. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kraftsensitive Messschicht (3) einen druckabhängigen elektrischen Widerstand aufweist und Elektroden (9) zur Messung des Widerstandes vorhanden sind, welche mit der Messschicht elektrisch verbunden sind.
  7. Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahnen vorhanden sind, welche elektrisch mit den Elektroden (9) verbunden sind.
  8. Wälzlager nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Isolationsschicht (8) vorhanden ist, welche Leiterbahn und Elektroden (9) abdeckt.
  9. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der innere (2) und der äußere (1) Teil der ersten Lagerschale (1, 2) gegen eine relative Bewegung zueinander dadurch gesichert sind, dass in beide Teile jeweils an den einander zugewandten Seiten der Teile eine Nut (6) eingearbeitet ist, sodass diese Nuten einander gegenüberliegen und diese Nuten durch einen Keil (6) miteinander verbunden sind.
  10. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial (7, 8) eine Auswahl von TiO2, AlN, Al2O3, SiO2 und/oder SICON ist.
  11. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Lagerschale (5) vorhanden ist, welche ebenfalls mit den Wälzkörpern (4) in Wälzkontakt steht, wobei die Wälzkörper (4) zwischen der ersten (1, 2) und der zweiten (5) Lagerschale befindlich sind.
  12. Wälzlager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lagerschale (5) analog zur ersten aufgebaut ist.
  13. Wälzlager nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lagerschale (1, 2) die in radialer Richtung äußere ist.
  14. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein integrierter Schaltkreis zur Signalverarbeitung und/oder drahtlosen Übertragung der Messsignale vorhanden ist.
  15. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatursensorik integriert ist.
  16. Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Formteil (2) für eine Lagerschale ausgewählt wird, eine kraftsensitive Messschicht (3) auf die Oberfläche der einen Seite des ersten Formteiles (2) aufgebracht wird und ein zweites Formteil (1) für eine Lagerschale ausgewählt wird, welches mit dem ersten Teil messschichtseitig zusammengebracht wird unter Bildung einer Lagerschale (1, 2).
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur kraftsensitiven Messschicht (3) auf die Oberfläche der einen Seite des ersten Formteiles (2) Elektroden (9) und/oder elektrische Leiterbahnen und/oder elektrische Kontakte aufgebracht werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Elektroden (9) und/oder elektrischen Leiterbahnen und/oder elektrischen Kontakte durch Laserstrukturierung und/oder fotolithographische Methoden erfolgt.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die kraftsensitive Messschicht (3) seitlich umgeben wird durch eine ebenfalls auf die Oberfläche der einen Seite des ersten Formteiles aufgebrachte Isolationslage (7).
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass auf die kraftsensitive Messschicht (3) eine Isolationsschicht (8) aufgebracht wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolationsmaterial TiO2, AlN, Al2O3, SiO2 und/oder SICON ausgewählt wird.
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Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004013669A1 (de) * 2004-03-19 2005-10-20 Skf Ab Wälzlager und Verwendung des Wälzlagers
DE102004026246A1 (de) * 2004-05-28 2005-12-15 Fag Kugelfischer Ag & Co. Ohg Rollkörper
DE102004025682A1 (de) * 2004-05-26 2005-12-15 Fag Kugelfischer Ag & Co. Ohg Vorrichtung zum Vergießen einer umlaufenden Außennut an einem zylindrischen Bauteil mit einer aushärtenden Vergussmasse
DE102006042640A1 (de) * 2006-09-12 2008-03-27 Schaeffler Kg Lagerungsanordnung mit einer Sensorik zur Detektion rutschender Lagerringe
DE102006051642A1 (de) * 2006-11-02 2008-05-08 Schaeffler Kg Rollenlager mit einem Mess-Wälzkörper
DE102013004678A1 (de) * 2013-03-19 2014-09-25 Continental Teves Ag & Co. Ohg Leiterplatte zum Anbinden eines Verformungssensor an eine Signalverarbeitungsschaltung
DE102006019942B4 (de) * 2006-04-28 2016-01-07 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Kraftmessvorrichtung zur Messung der Kraft bei Festkörperaktoren, Verfahren zur Messung einer Kraft sowie Verwendung der Kraftmessvorrichtung
DE102013222150B4 (de) 2013-10-31 2018-03-01 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Anbaugerät oder Landwirtschaftsfahrzeug mit einem Überwachungsmodul
CN108692839A (zh) * 2017-04-10 2018-10-23 发那科株式会社 转矩传感器以及机器人
WO2019037923A1 (de) * 2017-08-24 2019-02-28 Robert Bosch Gmbh Führungswagen mit einer piezoresistiven schicht zur lastmessung
DE102019200780A1 (de) 2019-01-23 2020-07-23 Robert Bosch Gmbh Führungswagen für eine Streckenführung, Streckenführung mit dem Führungswagen, und Verfahren zur Ermittlung einer Last des Führungswagens

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004051186A1 (de) * 2004-10-21 2006-04-27 Fag Kugelfischer Ag & Co. Ohg Vorrichtung zur Messung eines etwaigen Stromdurchganges an einem Wälzlager
DE102004054201A1 (de) * 2004-11-10 2006-05-11 Fag Kugelfischer Ag & Co. Ohg Wälzlager mit in der Lagerringstirnseite integrierten Sensoren
DE102010024850A1 (de) 2010-06-23 2011-12-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Rotierbares Bauelement und Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl eines rotierbaren Bauelements
DE102010024808A1 (de) 2010-06-23 2011-12-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Piezoresistiver Kraftsensor
DE102011003591A1 (de) 2011-02-03 2012-08-09 Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg Wälzlager, insbesondere für ein Tretlager eines Zweirades
DE102011103848A1 (de) * 2011-05-27 2012-11-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Sensoreinrichtung
DE102020206586A1 (de) 2020-05-27 2021-12-02 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Kontakt, Leiterplatte mit dem Kontakt, und Führungswagen mit der Leiterplatte für eine Streckenführung
DE102020116852A1 (de) 2020-06-26 2021-12-30 Man Energy Solutions Se Lager, Verfahren zum Kalibrierern des Lagers und Brennkraftmaschine
DE102021213385A1 (de) 2021-11-29 2023-06-01 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Sensoreinrichtung für eine Streckenführung, Wälzbahneinlage, Führungswagen, Führungsschiene, sowie Streckenführung

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE7106270U (de) * 1971-05-13 Skf Gmbh Kraftmeßlager
US4667521A (en) * 1984-12-08 1987-05-26 Skf Gmbh Load-measuring arrangement
US4704895A (en) * 1984-12-08 1987-11-10 Bergwerksverband Gmbh Method and device for monitoring roller drilling tools
US5140949A (en) * 1989-09-19 1992-08-25 Mobil Oil Corporation Zeolite-clay composition and uses thereof
DE4219949A1 (de) * 1992-06-18 1993-12-23 Angiomed Ag Stent zum Offenhalten von Stenosen in Gefässen oder dergleichen
DE19937203A1 (de) * 1998-08-06 2000-03-09 Torrington Co Überwachung der Lebensdauer und der Belastung von Lagern
DE19925460C2 (de) * 1999-06-02 2001-05-17 Fraunhofer Ges Forschung Gleit- und/oder Wälz-Paarungen mit Dünnschichtsensorik
DE19954164A1 (de) * 1999-11-10 2001-06-13 Fraunhofer Ges Forschung Sensor zur Zustandsbestimmung von Kenngrößen an mechanischen Komponenten unter Verwendung von amorphen Kohlenstoffschichten mit piezoresistiven Eigenschaften
EP1148261A2 (de) * 2000-04-10 2001-10-24 FAG Industrial Bearings AG Wälzlager mit fernabfragbaren Erfassungseinheiten
DE10136438A1 (de) * 2000-08-22 2002-03-07 Bosch Gmbh Robert Sensoranordnung in einem Wälzlager und Verfahren zur Auswertung des Sensorsignals

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE7106270U (de) * 1971-05-13 Skf Gmbh Kraftmeßlager
US4667521A (en) * 1984-12-08 1987-05-26 Skf Gmbh Load-measuring arrangement
US4704895A (en) * 1984-12-08 1987-11-10 Bergwerksverband Gmbh Method and device for monitoring roller drilling tools
US5140949A (en) * 1989-09-19 1992-08-25 Mobil Oil Corporation Zeolite-clay composition and uses thereof
DE4219949A1 (de) * 1992-06-18 1993-12-23 Angiomed Ag Stent zum Offenhalten von Stenosen in Gefässen oder dergleichen
DE19937203A1 (de) * 1998-08-06 2000-03-09 Torrington Co Überwachung der Lebensdauer und der Belastung von Lagern
DE19925460C2 (de) * 1999-06-02 2001-05-17 Fraunhofer Ges Forschung Gleit- und/oder Wälz-Paarungen mit Dünnschichtsensorik
DE19954164A1 (de) * 1999-11-10 2001-06-13 Fraunhofer Ges Forschung Sensor zur Zustandsbestimmung von Kenngrößen an mechanischen Komponenten unter Verwendung von amorphen Kohlenstoffschichten mit piezoresistiven Eigenschaften
EP1148261A2 (de) * 2000-04-10 2001-10-24 FAG Industrial Bearings AG Wälzlager mit fernabfragbaren Erfassungseinheiten
DE10136438A1 (de) * 2000-08-22 2002-03-07 Bosch Gmbh Robert Sensoranordnung in einem Wälzlager und Verfahren zur Auswertung des Sensorsignals

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004013669A1 (de) * 2004-03-19 2005-10-20 Skf Ab Wälzlager und Verwendung des Wälzlagers
DE102004013669B4 (de) * 2004-03-19 2010-01-07 Ab Skf Wälzlager und Verwendung des Wälzlagers
DE102004025682A1 (de) * 2004-05-26 2005-12-15 Fag Kugelfischer Ag & Co. Ohg Vorrichtung zum Vergießen einer umlaufenden Außennut an einem zylindrischen Bauteil mit einer aushärtenden Vergussmasse
DE102004026246A1 (de) * 2004-05-28 2005-12-15 Fag Kugelfischer Ag & Co. Ohg Rollkörper
DE102006019942B4 (de) * 2006-04-28 2016-01-07 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Kraftmessvorrichtung zur Messung der Kraft bei Festkörperaktoren, Verfahren zur Messung einer Kraft sowie Verwendung der Kraftmessvorrichtung
DE102006042640A1 (de) * 2006-09-12 2008-03-27 Schaeffler Kg Lagerungsanordnung mit einer Sensorik zur Detektion rutschender Lagerringe
DE102006051642B4 (de) * 2006-11-02 2011-02-03 Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg Rollenlager mit einem Mess-Wälzkörper
DE102006051642A1 (de) * 2006-11-02 2008-05-08 Schaeffler Kg Rollenlager mit einem Mess-Wälzkörper
DE102013004678A1 (de) * 2013-03-19 2014-09-25 Continental Teves Ag & Co. Ohg Leiterplatte zum Anbinden eines Verformungssensor an eine Signalverarbeitungsschaltung
DE102013222150B4 (de) 2013-10-31 2018-03-01 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Anbaugerät oder Landwirtschaftsfahrzeug mit einem Überwachungsmodul
CN108692839A (zh) * 2017-04-10 2018-10-23 发那科株式会社 转矩传感器以及机器人
US10989614B2 (en) 2017-04-10 2021-04-27 Fanuc Corporation Torque sensor and robot
WO2019037923A1 (de) * 2017-08-24 2019-02-28 Robert Bosch Gmbh Führungswagen mit einer piezoresistiven schicht zur lastmessung
JP2020531844A (ja) * 2017-08-24 2020-11-05 ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングＲｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ Ｇｍｂｈ 荷重測定用のピエゾ抵抗層を有するガイドキャリッジ
DE102019200780A1 (de) 2019-01-23 2020-07-23 Robert Bosch Gmbh Führungswagen für eine Streckenführung, Streckenführung mit dem Führungswagen, und Verfahren zur Ermittlung einer Last des Führungswagens

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