DE4219318C2

DE4219318C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Kontaktwinkels von Kugellagern

Info

Publication number: DE4219318C2
Application number: DE4219318A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Matsuzaki
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1991-06-12
Filing date: 1992-06-12
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2012-06-13
Also published as: US5423218A; DE4219318A1; JPH04364408A; JP2913913B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Kontaktwinkels der Rollelemente einer Rollenlagervorrichtung, insbesondere eines Kugellagers.

Fig. 5 zeigt ein an sich bekanntes Schrägkugellager 1 mit einer äußeren Kugellaufbahn 2 an einem äußeren Laufring 3, einer inneren Kugellaufbahn 4 an einem inneren Laufring 5 und einen Kranz von Kugeln 6. Bei einem solchen Schrägkugellager liegt eine Linie a zwischen den Berührungspunkten einer Kugel 6 an der äußeren Laufbahn 2 und an der inneren Laufbahn 4 in einem Winkel α zu der Verbindungslinie b zwischen diametral gegenüberliegenden Kugeln 6, der als Druckwinkel bzw. Kontaktwinkel bezeichnet wird. Durch diese Ausgestaltung kann das Kugellager 1 nicht nur radiale Belastungen, sondern auch axiale Belastungen aufnehmen.

Da der Kontaktwinkel α wesentlich die Eigenschaften eines Kugellagers beeinflußt, ist es notwendig, diesen Winkel α auf einen bestimmten Wert einzustellen. Insbesondere Hochleistungs-Kugellager erfordern eine genaue Einstellung des Kontaktwinkels α.

Aus der Firmenschrift Nr. MT 55 135 DA der Firma FAG Kugelfischer Georg Schäfer KGaA D-8720 Schweinfurt, Seiten 1 und 14, ist ein Druckwinkel-Meßgerät mit der Bezeichnung FAG MGW 102-2 bekannt, mittels dem an Schrägkugellagern, Spindellagern und Vierpunktlagern der Druckwinkel bzw. Kontaktwinkel gemessen werden kann. Während des Meßvorgangs wird auf den Käfig des Lagers ein Käfigwerkzeug aufgesetzt und der Innenring mit einer voreingestellten Meßlast belastet. Die Innenringumdrehungen werden automatisch mittels Motor durchgeführt, während die ermittelten Käfigumdrehungen plus Teilumdrehungen an einem Anzeigering mit Gradeinteilung abgelesen werden können.

Ein entsprechendes Meßgerät ist aus der japanischen Patentschrift 51-26824, bekannt, das in Fig. 6 schematisch wiedergegeben ist. Hierbei wird eine Antriebswelle 9 durch einen Motor 7 über ein Getriebe 8 in Drehung versetzt. Ein Kupplungselement 44 an einem Ende der Welle 9 ist in den inneren Laufring 5 eingesetzt, damit sich dieser zusammen mit der Antriebswelle 9 dreht. Ein Drehdetektor 10 an anderen Ende der Welle 9 stellt den Drehwinkel θ_i des inneren Laufrings 5 Test. Mittels eines Befestigungsarms 12 ist eine Lichtabschirmplatte 13 am Käfig 11 des Lagers angebracht. Während sich der Käfig 11 dreht, kreuzt die Lichtabschirmplatte 13 einen Lichtstrahl zwischen einer Lichtquelle 14 und einer Lichtaufnahmeeinrichtung 15, die einen photoelektrischen Schalter darstellen. Weil sich der Käfig 11 mit der Umlaufbewegung der Kugeln 6 dreht, kann der Drehwinkel θ_c des Käfigs 11 in Abhängigkeit davon bestimmt werden, wie oft der Lichtstrahl unterbrochen wird.

Der Druck- bzw. Kontaktwinkel α wird aus den so bestimmten Drehwinkeln θ_i, θ_c, dem Außendurchmesser D_a der Kugeln 6 und dem Durchmesser d_m des Kugelkranzes, gemessen an den Kugelmittelpunkten, aus der folgenden Formel bestimmt, wobei der Außendurchmesser D_a und der Durchmesser d_m Abmessungen sind, die durch die Herstellung vorgegeben sind.

θ_c = θ_i(1 - D_acos α/d_m)/2

Bei dem bekannten Verfahren zum Messen des Druck- bzw. Kontaktwinkels α eines Kugel- bzw. Rollenlagers gibt es eine Reihe von Beschränkungen hinsichtlich Meßbarkeit. Weiterhin ist das bekannte Verfahren nicht geeignet, eine sehr genaue Messung auszuführen, und insbesondere ist es schwierig, eine automatische Messung beispielsweise in einer Produktionslinie durchzuführen.

Beschränkungen hinsichtlich Meßbarkeit ergeben sich aus folgenden Gründen.

1. Wegen der Notwendigkeit der Halterung eines Käfigwerkzeugs bzw. der Lichtabschirmplatte 13 auf dem Käfig 11 ist es unmöglich, den Kontaktwinkel eines Lagers zu messen, das mit einer Dichtung zwischen innerem und äußerem Laufring versehen ist.
2. In einem Miniaturkugellager ist es schwierig, den Befestigungsarm 12 bzw. das Käfigwerkzeug auf dem Käfig 11 anzubringen, so daß eine Messung praktisch unmöglich wird.
3. Eine Messung ist nicht ausführbar, wenn das Lager einen Aufbau hat, der eine Drehung des Befestigungsarms 12 bzw. des Käfigwerkzeugs verhindert, z. B. wenn der äußere oder der innere Laufring mit einem Flansch versehen ist.
4. Im Fall eines Lagers, das in eine Vorrichtung eingebaut ist, ist die Drehung des Befestigungsarms 12 bzw. Käfigwerkzeugs oft durch eine Behinderung zwischen Befestigungsarm 12 und einem anderen Bauelement nicht möglich, wobei es in vielen Fällen unmöglich wird, die Messung auszuführen.

Fehlende Genauigkeit der Messung kann sich aus folgenden Gründen ergeben.

1. Der Drehwinkel der Kugeln 6 wird zuerst durch den Drehwinkel θ_c des Käfigs 11 bestimmt, wobei anschließend die Bestimmung des Kontaktwinkels α aus dem Drehwinkel erfolgt. Es gibt jedoch ein kleines Spiel zwischen dem Käfig 11 und einer jeden Kugel 6. Wegen dieses kleinen Spiels ist es unmöglich, einen genauen Drehwinkel zu erhalten. Der Kontaktwinkel α, der durch den Drehwinkel bestimmt wird, ist daher nicht genau.
2. Durch Anbringen des Käfigwerkzeugs bzw. des Befestigungsarms 12 und der Lichtabschirmplatte 13 auf dem Käfig 11 wird die Trägheitsmasse des Käfigs 11 erhöht. Die Kugeln gleiten deshalb an der äußeren Laufbahn 2 und der inneren Laufbahn 4. Wenn die Kugeln 6 gleiten, tritt auch ein Fehler in der Messung des Werts des Kontaktwinkels α auf. Dies trifft auch zu, wenn ein Gleiten zwischen dem inneren Laufring 5 und dem Kupplungselement 44 auftritt.

Schwierigkeiten einer Automatisierung der Messung ergeben sich aus folgenden Gründen.

1. Das Käfigwerkzeug bzw. der Befestigungsarm 12 muß am Käfig 11 angebracht werden, um die Meßarbeit auszuführen. Nach Beendigung der Meßarbeit muß der Befestigungsarm 12 vom Käfig 11 gelöst werden. Das Anbringen und Loslösen des Befestigungsarms 12 ist aufwendig und muß manuell ausgeführt werden. Dies macht es praktisch unmöglich, ein Meßsystem, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, in einer Herstellungslinie für Lager einzubauen und den Kontaktwinkel α eines jeden Lagers, das in der Linie hergestellt wird, zu überwachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß sich beim Messen keine Beschränkungen ergeben, eine sehr genaue Messung möglich ist und die Messung auch automatisch, beispielsweise in einer Produktionslinie, ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in den Patentansprüchen 1 und 4 gelöst. Dadurch, daß am Käfig kein Käfigwerkzeug angesetzt zu werden braucht und auch kein anderes Anbauteil erforderlich ist, sondern nur die Schwingungen am inneren oder äußeren Laufring abgenommen werden, ergeben sich keine Beschränkungen beim Meßvorgang durch den Lageraufbau und vor allem kann die Messung dadurch auch automatisch in einer Produktionslinie oder dergl. ohne weiteres ausgeführt werden. Zusätzlich kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die: Bestimmung des Kontaktwinkels mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden, weil die Drehfrequenz der Rollelemente nicht über den Käfig bestimmt wird.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Drehfrequenz des anderen Laufrings ebenfalls aus den Meßdaten der Schwingungen des einen Laufrings bestimmt werden, wie dies im Anspruch 3 angegeben ist.

In der Druckschrift "Technische Rundschau" 38/90, Seiten 118-121, 123 wird das Geräusch- und Schwingungsverhalten von Wälzlagern erörtert, wobei angegeben ist, daß für die Geräuschprüfung an einem Wälzlager bei FAG auch die "Anderometer-Meßmethode" angewendet wird, wobei ein Lager mit dem inneren Laufring auf eine sich drehende Welle aufgesetzt und über den äußeren Laufring axial belastet wird. Mit einem Schwinggeschwindigkeitsaufnehmer mißt man den Körperschall am Lageraußenring und in dieser Abhandlung sind auch die allgemein bekannten Gleichungen für die Überrollfrequenzen im Kugellager angegeben. Ein Hinweis darauf, den Kontaktwinkel nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bestimmen, kann aber aus dieser Druckschrift nicht abgeleitet werden, weil sich diese Druckschrift nur mit den verschiedenen Aspekten der Schallerzeugung bei Wälzlagern befaßt.

Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer Meßvorrichtung,

Fig. 2 in einer schematischen Längsschnittdarstellung eine zweite Ausführungsform,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform,

Fig. 4 ein Diagramm, woraus die Beziehung zwischen Drehfrequenz und Meßfehlern beim Kontaktwinkel hervorgeht,

Fig. 5 einen Schnitt durch ein an sich bekanntes Schrägkugellager, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung des bekannten Meßgeräts.

Obwohl die einzelnen Bauteile, aus denen ein Kugel- bzw. ein Rollenlager zusammengesetzt ist, mit äußerster Genauigkeit hergestellt werden, gibt es kein Lager, an dem kein wenn auch noch so geringer Fehler auftritt, sei es in der Oberflächengestaltung oder in den Abmessungen. In der Regel treten geringe Exzentrizitäten am äußeren oder auch inneren Laufring relativ zur Lagerachse auf. Wegen dieser Exzenftrizität tritt eine Drehfrequenzkomponente auf, die durch Messen der radialen, der axialen oder der Winkelschwingungen an einem der beiden Laufringe gemessen werden kann.

Obwohl man annimmt, daß die Rollen oder Kugeln in einem Lager alle den gleichen Durchmesser haben, weicht der Außendurchmesser einer Kugel von dem einer anderen aufgrund unvermeidlicher Herstellungstoleranzen und geringfügiger Fehler ab. Durch die Umlaufbewegung der Kugeln, die geringfügige Durchmesserunterschiede aufweisen, schwingt das Lager in radialer, axialer oder in einer Winkelrichtung. Die Frequenz dieser Schwingungen stimmt mit der Drehfrequenz bzw. Umlauffrequenz der Kugeln oder mit einem ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz der Kugeln überein. Auch die Kugellaufbahn ist geringen Änderungen unterworfen. Deshalb schwingen der innere oder der äußere Laufring in radialer, axialer oder in einer Winkelrichtung. Die Frequenz dieser Schwingungen enthält die Drehfrequenzkomponente der Kugeln bzw. der Rollelemente. Die Drehfrequenz der Rollelemente kann deshalb bestimmt werden, wenn die Frequenz der radialen, axialen oder in einer Winkelrichtung verlaufenden Schwingungen des einen oder des anderen Laufrings gemessen wird.

Nach Bestimmen der Drehfrequenz f_r des einen Laufrings und der Drehfrequenz f_c der Kugeln bzw. Rollelemente auf der Grundlage der radialen Schwingungen des anderen Laufrings kann der Kontaktwinkel unter Verwendung der folgenden Formel (1) und (2) oder der Formeln (3) und (4) bestimmt werden, die später angegeben sind.

f_c = f_r(d_m - D_acos α)/2d_m (1)

Die Formel (1) kann in folgende Formel (2) umgeschrieben werden:

α = cos^-1 [d_m(1 - (2f_c/f_r)/D_a] (2)

Ein erstes Ausführungsbeispiel wird anhand der Fig. 1 näher erläutert, wobei die Bauteile des Kugellagers 1 mit den gleichen Bezugszeichen wie in der schon beschriebenen Fig. 5 versehen sind. Der innere Laufring 5 ist auf einer Welle 16 angeordnet, die über einen konischen Abschnitt in eine konische Bohrung 47 einer Spindel 17 eingreift, die in einem Lageraufbau 18 drehbar gelagert ist. Der Lageraufbau 18 kann beispielsweise ein statisches Druckgaslager, ein Magnetlager oder supraleitendes Lager sein, damit bei der Drehbewegung der Spindel 17 keine Schwingungen erzeugt werden.

Die Spindel 17 wird durch einen Elektromotor 19 über einen Riemen 22 und entsprechende Riemenscheiben 20, 21 angetrieben und der Antrieb der Spindel 17 erfolgt mit konstanter Drehzahl von beispielsweise 1800 U/Min. Durch Wahl eines geeigneten Riemenmaterials und durch entsprechendes Einstellen der Spannung des Riemens kann das Entstehen von Schwingungen an der Spindel 17 unterdrückt werden. Andererseits ist es auch möglich, die Spindel 17 mit der Antriebswelle des Elektromotors 19 konzentrisch anzuordnen und eine Magnetkupplung oder dergl. zwischenzuschalten.

Auf der gegenüberliegenden Seite des Kugellagers 1 ist eine Drückeinrichtung 23 vorgesehen, die einen Druckzylinder 24, eine Schwingkupplung 25 und einen Druckring 26 aufweist, der am äußeren Laufring 3 des Kugellagers 1 anliegt. Die Schwingkupplung 25 weist zwei Platten 29a, 29b und eine zwischen diesen angeordnete Kugel auf, durch die die beiden Platten relativ zueinander verschwenkbar sind. Die Platte 29b ist über eine Kolbenstange 28 mit einem Kolben 27 des Druckzylinders 24 verbunden. Mit 31 ist ein Dämpfer zwischen der Platte 29a und dem Druckring 26 bezeichnet. Wenn ein Druckmedium in den Druckraum 32 des Druckzylinders eingeführt wird, kann eine Druckkraft auf den äußeren Laufring 3 in Achsrichtung aufgebracht werden. Hierdurch kann ein Drehen des äußeren Laufrings 3 verhindert werden, selbst wenn der innere Laufring 5 über den Elektromotor 19 in Drehung versetzt wird.

Die Schwingkupplung 25 dient dazu, die Druckkraft über den gesamten Umfang am Druckring 26 gleichmäßig zu verteilen. Der Dämpfer 31 verhindert die Übertragung von Schwingungen. Anstelle eines Druckzylinders 24 kann auch eine Spule oder eine andere Einrichtung vorgesehen werden, mittels der eine Druckkraft aufgebracht werden kann.

Eine Sonde 34 eines Schwingungsmeßelements wie z. B. eines Schwingungsaufnehmers 33 ist am äußeren Laufring 3 angesetzt. Der Schwingungsaufnehmer 33 mißt radiale Schwingungen des äußeren Laufrings 3 und sendet ein Signal A, das die Meßwerte anzeigt, an eine Verstärkereinheit 35. Als Schwingungsmeßelement kann jede andere Vorrichtung oder ein Element verwendet werden, solange es solche radialen Schwingungen wahrnehmen kann.

Die Verstärkereinheit 35 umfaßt einen Verstärker 45 und einen Tiefpaßfilter 46. Ein Verstärkersignal B wird von der Verstärkereinheit 35 an einen Frequenzwandler 36 ausgegeben. Der Tiefpaßfilter 46 ist vorgesehen, um jede Umkehr des Signalflusses zu vermeiden, wenn die Verarbeitung durch einen Fourier- Transformator 38 erfolgt, wie nachfolgend beschrieben wird.

Der Frequenzwandler 36 umfaßt einen A/D-Wandler 37, den Fourier-Transformator 38 und einen Speicher 39. Auf der Grund lage des Signals B, das von der Verstärkereinheit 35 zugeführt wird und in ein digitales Signal durch den A/D-Wandler 37 um gewandelt wird, bestimmt der Fourier-Transformator 38 die Drehfrequenz f_r des inneren Rings 5 und die Drehfrequenz f_c der Anzahl von Kugeln 6 durch die Verwendung der "Schnellen Fou rier-Transformation" (FFT - fast Fourier transformation).

Der Speicher 39 wird verwendet, um eine Korrektur vorzunehmen, wenn es ein mögliches Problem des Auftretens von einer Unregel mäßigkeit beim Drehen des inneren Ringes 5 durch den elektri schen Motor 19 gibt. Um eine solche Unregelmäßigkeit beim Drehen zu korrigieren, wird ein Signal, das von dem A/D-Wandler 37 ausgegeben wird, an den Fourier-Transformator 38 mittels des Speichers 39 abgegeben. Der Fourier-Transformator 38 bestimmt dann die Drehfrequenz f_r und die Drehfrequenz f_c aus Daten auf derselben Zeitbasis.

Das Signal B, das an den Frequenzwandler 36 von der Verstärker einheit 35 gesandt wird, enthält ein Signal, das mit der Dreh frequenz f_r verbunden ist, und ein anderes Signal, das mit der Drehfrequenz f_c verbunden ist, in einer sich gegenseitig überschneidenden Weise. Um diese sich überschneidenden Signale gleichzeitig durch den Frequenzwandler 36 zu verarbeiten, wird der Aufbau des Frequenzwandlers 36 unvermeidlich kompliziert und teuer. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist daher der Frequenzwandler 36 so ausgebildet, um die Verarbeitung des Signals, das mit der Drehfrequenz f_r verbunden ist, und des Signals, das mit der Drehfrequenz f_c verbunden ist, nacheinander auszufüh ren, wobei eines nach dem anderen bearbeitet wird.

Soweit das Drehen des inneren Ringes 5 frei von Unregelmäßigkeiten ist, ist es möglich, die Verarbeitung des Signals, das mit der Drehfrequenz f_r verbunden ist, auf Grundlage eines Signals B auszuführen, das während einer Zeitdauer von T₁ bis T₂ erhalten wird, und das Verarbeiten des Signals, das mit der Drehfre quenz f_c verbunden ist, auf der Grundlage eines Signals B' auszu führen, das während der Zeitdauer von T₃ bis T₄ erhalten wird, wobei die letzte Zeitdauer sich nicht mit der ersten Zeitdauer überschneidet bzw. überlappt und kein Speicher 39 notwendig ist. Wenn es eine Unregelmäßigkeit in der Drehung des inneren Ringes 5 gibt, entspricht die Drehfrequenz f_r während der Zeitdauer von T₁ bis T₂ nicht mehr der Drehfrequenz f_c während der Zeit dauer von T₃ bis T₄. Als Folge wird der sich daraus ergebende Kontaktwinkel α unkorrekt. In einem solchen Fall wird deshalb der Speicher 39 verwendet, so daß sowohl die Drehfrequenz f_r als auch die Drehfrequenz f_c aus einem Signal bestimmt werden können, das auf derselben Zeitbasis beruht, z. B. aus dem Signal B, das während der Zeitdauer von T₁ bis T₂ aufgenommen wurde.

Selbst wenn eine Unregelmäßigkeit beim Drehen des inneren Ringes 5 auftritt, beeinflußt diese Unregelmäßigkeit daher nicht das Verhältnis f_c/f_r der Drehfre quenzen. Da der zu bestimmende Kontaktwinkel α schließlich aus dem Verhältnis der Drehfrequenzen bestimmt wird, wie es aus der Formel (2) hervorgeht, kann der Kontaktwinkel α exakt bestimmt werden, solange dieses Ver hältnis korrekt ist.

Ein Signal C, das durch den Fourier-Transformator 38 bestimmt worden ist, der den Frequenzwandler 36 bildet und die Drehfre quenz f_r des inneren Ringes 5 und die Drehfrequenz f_c der Kugeln 6 anzeigt, wird dann an einen Prozessor 40 weitergegeben, wie z. B. einem Personalcomputer, zusammen mit Signalen, die den äußeren Durchmesser D_a der Kugeln 6 und den Abstands- bzw Teil kreisdurchmesser d_m der Kugeln 6 angeben, der dem Abstand der Mittelpunkte zweier sich diametral gegenüberliegenden Kugeln entspricht. Der Prozessor 40 bestimmt dann den Kontaktwinkel α der Kugellager 1 in Übereinstimmung mit der Formel (2).

Das zweite Ausführungsbeispiel wird nachfolgend mit Bezug zur Fig. 2 beschrieben. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, in dem nach dem Meßvorgang der inne re Ring 5 gedreht wird, während der äußere Ring 3 fest gehalten wird, ist ein Schaft 41 als innere Ringeinrichtung feststehend und stattdessen wird in diesem Ausführungsbeispiel der äußere Ring 3 gedreht. Entsprechend diesem Unterschied ist ein zylin drischer Abschnitt 42 an einem freien Endabschnitt einer Welle 16 ausgebildet und der äußere Ring innen in dem zylindrischen Abschnitt 42 eingepaßt und befestigt.

Ein Druckendblock 43 ist auf dem Dämpfer 31 befestigt, der die Drückeinrichtung 23 darstellt (s. Fig. 1). Durch Drücken des Endblockes 43 wird die Welle 41 mittig gedrückt. Die Sonde 34 des Schwingungsaufnehmers 33 wird in Berührung mit einer äußeren Umfangswand eines Abschnittes der Welle 41 gehalten, der von dem äußeren Ring 3 hervorsteht.

In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird der Kontaktwinkel α des Kugellagers 1 auch aus der Drehfrequenz f_r des äußeren Ringes 3 und der Drehfrequenz f_c der Kugeln 6 bestimmt, wobei die Frequenzen f_r und f_c aus den Meßwerten des Schwingungsaufnehmers 33, dem äußeren Durchmesser D_a der Kugeln 6 und dem Abstands durchmesser d_m der Kugeln 6 bestimmt worden sind. Wenn der äußere Ring 3 gedreht wird, ist es zweckmäßig, den Kontaktwinkel α gemäß den folgenden Formeln (3) und (4) zu bestimmen.

f_c = f_r(d_m + D_acos α)/2d_m (3)
α = cos^-1 [d_m{(2f_c/f_r) - 1}/D_a] (4)

Das dritte Ausführungsbeispiel wird nachfolgend mit Bezug zur Fig. 3 beschrieben. Im Fall eines Lagers, das einem Nabenein heitlager zum drehbaren Halten eines Rades eines Kraftfahrzeu ges ähnlich ist, sind zwei Laufbahnen auf jeder inneren Umfangs wand eines äußeren Ringes 3 und einer äußeren Umfangswand eines inneren Ringes 41 als innere Ringeinrichtung ausgebildet. Kugeln 6, die jeweils zwischen den Laufbahnen auf der inneren Umfangs wand des äußeren Rings 3 und den entsprechenden Laufbahnen auf der äußeren Umfangswand des inneren Rings 41 angeordnet sind, sind vorbelastet bzw. mit einer Kraft beaufschlagt. In diesem Fall unterscheiden sich radiale Schwingungen, die von den Kugeln in einer der zwei schrägen Reihen erzeugt werden, von solchen, die durch die Kugeln in der anderen schrägen Reihe erzeugt wer den. Demgemäß werden zwei Drehzahlfrequenzen f_c erhalten.

Wenn der Kontaktwinkel α der Kugeln in jeder schrägen Reihe vorhersagbar ist, ist es möglich herauszufinden, welche Dreh frequenz f_c für welche schräge Reihe bestimmt ist. Wenn sie nicht vorhersagbar ist, z. B. wenn die Kontaktwinkel α der Kugeln in den jeweiligen schrägen Reihen im wesentlichen diesel ben sind, wird die Kraft verändert, mit welcher der äußere Ring 3 (die Endfläche der Welle 41, wo die Welle befestigt ist, wie in Fig. 2) durch den Druckring 26 gedrückt wird. Wenn z. B. die Druckkraft erhöht wird, wird der Kontaktwinkel α der Kugeln in der rechten schrägen Reihe aus Fig. 3 größer, während der Kontaktwinkel α der Kugeln in der linken schrägen Reihe klei ner wird. Gleichzeitig wird eine der zwei oben beschriebenen Drehfrequenz f_c größer und die andere Drehfrequenz kleiner.

Eine Beobachtung der oben beschriebenen zwei Drehfrequenzen unter unterschiedlichen Druckkräften macht es deshalb möglich festzustellen, welche der zwei bestimmten Drehfrequenzen f_c welcher der zwei schrägen Reihen zugeordnet ist. Aus der so bestimmten Drehfrequenz f_c und der Drehfrequenz f_r kann der Kontaktwinkel α der Kugeln in der einen schrägen Reihe dann bestimmt werden.

In jedem der obengenannten Ausführungsbeispiele hängt die Genau igkeit des so bestimmten Kontaktwinkels α von der Auflösung des Fourier-Transformators 38 ab. Um die Genauigkeit zu erhöhen, wird vorzugsweise als Fourier-Transformator 38 ein hochauflösender Fourier-Transforma tor verwendet, wie z. B. ein Zoom-Fourier-Transformator. Durch Prüfrechnungen wurde jegliche mögliche Bezie hung zwischen unterschiedlichen Frequenzauflösungen und der Genauigkeit der sich entsprechend ergebenden Kontaktwinkel α überprüft. Die Ergebnisse sind in Form eines Diagramms in Fig. 4 darge stellt.

In Fig. 4 sind die Auflösungen Δf des Fourier-Transformators 38 als Frequenz (Hz) längs der Abszisse aufgetragen, während Fehler (Grad) des Kontaktwinkels α als dreifache Standardabwei chung (σ) längs der Ordinate aufgetragen sind.

Die durchgezogene Linie a zeigt das Ergebnis der Prüfrechnung für die Messung eines Lagers, in dem, wie in Fig. 3 gezeigt, zwei Laufbahnen auf jeder der inneren Umfangswand des äußeren Rings 3 und einer äußeren Umfangswand einer inneren Ringeinrich tung, wie z. B. der Welle 41, ausgebildet sind und die Kugeln 6, die zwischen den Laufbahnen auf der inneren Umfangswand des äußeren Rings 3 und den entsprechenden Laufbahnen auf der äuße ren Umfangswand der inneren Ringeinrichtung jeweils angeordnet sind, beaufschlagt sind (äußerer Kugeldurchmesser D_a: 2,000 ± 0,0015 mm, Abstandsdurchmesser d_m: 6,900 ± 0,005 mm). Zum Erhal ten der durchgezogenen Linie a wurde vorausgesetzt, daß die Drehfrequenz f_r des äußeren Ringes 3 und die Drehfrequenz f_c der Kugeln 6 jeweils als 30.000 ± Δf und 19.000 ± Δ' angenommen wurden.

Andererseits zeigt die unterbrochene Linie b die Ergebnisse einer Prüfrechnung für die Messung eines Kugellagers mit einzel ner Reihe und tiefer Nut an, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist (äußerer Kugeldurchmesser D_a: 6,74875 ± 0,010 mm, Abstands durchmesser d_m: 29,000 ± 0,010 mm). Als vorausgesetzt zum Erhal ten der unterbrochenen Linie b wurde angenommen, daß der innere Ring 5 und die Kugeln 6 sich mit einer Drehfrequenz f_r = 30.000 ± Δf und Drehfrequenz f_c = 11.600 ± Δf' jeweils während der Messung drehen.

Wie auch aus Fig. 4 klar hervorgeht, kann der Kontaktwinkel α eines Rollenlagers, wie z. B. des Kugellagers 1, mit guter Ge nauigkeit bestimmt werden.

In jedem der oben genannten Ausführungsbeispiele werden radiale Schwingungen des äußeren Rings 3 oder der Welle 41 auf der nicht rotierenden, d. h. ortsfesten Seite, gemessen, um die Drehfre quenz f_r und Drehfrequenz f_c zu bestimmen. Jedoch kann die Drehfrequenz f_r und die Drehfrequenz f_c auch durch Messen der Schwingungen des inneren Rings 5 oder äußeren Rings 3 auf der sich drehenden Seite bestimmt werden. Ferner kann die Dreh frequenz f_r und Drehfrequenz f_c nicht nur aus den radialen Schwingungen, sondern auch aus den Winkelschwingungen oder axia len Schwingungen bestimmt werden. Für die Messung von Winkel schwingungen ist es notwendig, die Sonde 34 des Schwingungsauf nehmers 33 in schräger Berührung mit einem Eckabschnitt eines Elementes zu halten, dessen Schwingungen gemessen werden sollen. Um axiale Schwingungen zu messen ist es notwendig, die Sonde 34 in axialer Berührung mit einer Endfläche eines zu messenden Elementes zu halten.

In jedem der oben genannten Ausführungsbeispiele kann die Dreh frequenz des äußeren Ringes als einer äußeren Ringeinrichtung oder der Welle als einer inneren Ringeinrichtung auch durch di rektes Messen der Drehfrequenz f_r der Spindel bestimmt werden. Dies kann durch eine Abwandlung der Vorrichtung aus Fig. 1 er reicht werden, z. B. durch Anwenden eines Geschwindigkeitsmessers an der Spindel 17 an einer Stelle zwischen der Antriebsscheibe 20 und des Zapfenlagers 18 und dem Zuführen des wahrgenommenen Signals an den Verstärker 45.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen des Kontaktwinkels (α) der Rollelemente (6) einer Rollenlagervorrichtung (1), die einen äußeren Laufring (3) mit einer äußeren Laufbahn (2) und einen inneren Laufring (5; 41) mit einer inneren Laufbahn (4) aufweist, wobei die Rollelemente (6) zwischen der äußeren und der inneren Laufbahn angeordnet sind, die eine gemeinsame Achse haben, umfassend die folgenden Schritte:

a) Drehen eines (5; 41) der beiden Laufringe, während der andere Laufring (3) so festgehalten wird, daß er sich nicht drehen kann,
b) Messen der Schwingungen eines der beiden Laufringe
c) Bestimmen der Drehfrequenz (f_c) der Rollelemente (6) um die Achse des nicht verdrehbaren Laufrings (3) anhand der gemessenen Schwingungen, und
d) Bestimmen des Kontaktwinkels (α) der Rollelemente (6) aus der Drehfrequenz (f_c) der Rollelemente und der Drehfrequenz (f_r) des sich drehenden Laufrings (5; 41).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Fall einer Rollenlagervorrichtung mit zwei beabstandeten Kränzen von Rollelementen (6) der äußere (3) oder der innere Laufring (5; 41) mit unterschiedlicher Kraft in Achsrichtung beaufschlagt wird, um den Kontaktwinkel (α) an einem der beiden Kränze zu erhöhen und am anderen Kranz zu verringern, worauf die Drehfrequenz (f_c) der Rollelemente des einen oder anderen Kranzes anhand der gemessenen Schwingungen bestimmt und der Kontaktwinkel (α) der Rollelemente (6) dieses Kranzes aus der Drehfrequenz (f_c) der Rollelemente und der Drehfrequenz (f_r) des sich drehenden Laufrings bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Drehfrequenz (f_r) des sich drehenden Laufrings (5; 41) aus den Meßwerten der Schwingungen bestimmt wird.

4. Vorrichtung zum Bestimmen des Kontaktwinkels (α) eines Kranzes oder der Kontaktwinkel (α) zweier Kränze von Rollelementen (6) einer Rollenlagervorrichtung (1), die einen äußeren Laufring (3) mit einer oder zwei äußeren Laufbahn(en) (2) und einen inneren Laufring (5; 41) mit einer oder zwei inneren Laufbahn(en) (4) aufweist, wobei die Rollelemente (6) zwischen äußeren und inneren Laufbahnen angeordnet sind, die eine gemeinsame Achse haben, umfassend:
eine Einrichtung (29) zur Verhinderung einer Drehbewegung des einen oder des anderen Laufrings,
eine Antriebseinrichtung (17) zum Drehen des jeweiligen anderen Laufrings, eine Schwingungsmeßeinrichtung (33) zum Messen der Schwingungen des einen oder des anderen Laufrings,
einen Frequenzwandler (36) zum Bestimmen der Drehfrequenz der Rollelemente (6) um die Achse des nicht verdrehbaren Laufrings anhand der gemessenen Schwingungen, und einen Prozessor (40) zum Bestimmen des Kontaktwinkels (α) der Rollelemente (6) aus der Drehfrequenz (f_c) der Rollelemente und der Drehfrequenz (f_r) des sich drehenden Laufrings (5; 41).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zur Verhinderung einer Drehbewegung eines der beiden Laufringe als Drückeinrichtung (23) ausgebildet ist, durch die ein Druck auf einen der beiden Laufringe zur Verhinderung der Drehbewegung aufgebracht wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Drückeinrichtung (23) mit einer Schwingkupplung (25) versehen ist, die aus zwei Platten (29a, 29b) und einer Kugel (30) aufgebaut ist, die zwischen den beiden Platten gehalten ist, wobei der eine oder der andere Laufring über die Schwingkupplung (25) zur Verhinderung einer Drehbewegung beaufschlagt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Drückeinrichtung (23) mit einem Dämpfer (31) versehen ist, um eine Übertragung von Schwingungen auf den durch die Drückeinrichtung beaufschlagten Laufring zu verhindern.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Antriebseinrichtung (17) eine kegelförmige Bohrung (47) aufweist und mit der Rollenlagervorrichtung (1) über eine Welle (16) verbunden ist, die über einen kegelförmigen Abschnitt in diese kegelförmige Bohrung eingepaßt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Frequenzwandler (36) einen A/D-Wandler (37), einen hochauflösenden Fourier-Transformator (38) und einen Speicher (39) umfaßt.