DE10124394A1

DE10124394A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Liefern einer dynamischen Ultraschall-Messung der Parameter von Wälzelementlagern

Info

Publication number: DE10124394A1
Application number: DE10124394A
Authority: DE
Inventors: Richard W Browner; Richard L Lemoine; Iii Mark I Jurras; David Nguyen; Robert Domnitz; Alan R Selfridge
Original assignee: Torrington Co
Current assignee: Timken US LLC
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2002-05-08
Also published as: JP2002116191A; US6571632B1; SE524283C2; SE0101753L; SE0101753D0

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Messen mehrerer Betriebsparameter in einem Wälzelementlager durch Aussenden eines akustischen Ultraschallsignals über einen Laufring des Lagers hinweg. Die Vorrichtung wandelt ein erstes elektrisches Signal mit einem Wandler in der Form eines PZT-Kristalls in ein akustisches Signal um. Das akustische Signal wird an einer gegenüberliegenden Seite des Laufrings des Lagers empfangen und in ein zweites elektrisches Signal mittels eines zweiten Wandlers umgewandelt. Die ersten und zweiten elektrischen Signale werden hinsichtlich der Zeit verglichen, um eine Laufzeit des akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg zu bestimmen. Die Laufzeit aufeinander folgender akustischer Signale wird dann in Werte umgewandelt, die der Spannung, der Temperatur und der Geschwindigkeit in dem Wälzlelementlager entsprechen. Alternativ wird ein einziges PZT-Kristall als Wandler verwendet, um ein akustisches Signal auszusenden und ein von der entgegengesetzten Seite des Wälzelementlagers reflektiertes akustisches Signal zu empfangen. Lagerspannung, Temperatur und Geschwindigkeit werden aus einer Hälfte der Zeit zwischen Aussendung und Empfang des akustischen Signals berechnet.

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Er mitteln mehrfacher Betriebsparameter in Wälzelementlagern. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln dynamischer Beanspruchungen in Wälzelementlagern in Echtzeit mittels eines Ultraschall-Meßsystems. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Temperatur und der Geschwindigkeit von Wälzelementlagern unter Verwendung des gleichen Ultraschall-Meßsystems.

Traditionellerweise wurde die Lebensdauer von Wälzelementlagern vorhergesagt durch Aufbringen einer vorbestimmten Last auf das Wälzelementlager und durch Betrieb des Lagers bis zu einem Ausfall. Dann wurde eine statistische Durchschnittsbildung angewandt, um die Lagerlebensdauer während der Betriebsbedingungen vorherzusagen. Während die Beziehung zwischen Belastung und Lagerlebensdauer wichtig ist, beziehen sich andere Faktoren genauer auf die Betriebslebensdauer von Komponenten von Wälzelementlagern.

Spannung ist die Antwort eines Materials auf eine über eine Fläche aufgebrachte Last. Die Spannung ist daher eine innere Reaktion zwischen Elementarteilchen eines Materials als Widerstand gegenüber Trennung, Verdichtung oder Gleiten, welche Erscheinungen durch eine äußere Kraft, d. h. eine Last, induziert werden können. Die gesamten inneren Widerstands kräfte sind Resultierende von kontinuierlich verteilten normalen und parallelen Kräften, die von veränderlicher Größe und Richtung sind und die auf elementare Bereiche über das gesamte Material wirken. Die Spannung kann als Zug-, Druck- oder Scherspannung identifi ziert werden, je nach Wirkung der Beanspruchung.

Ein elastisches Material unter Spannung streckt sich, d. h. verformt sich, gemäß der Formel:
Spannung = Streckung × Elastizitätsmodul.

Beispielsweise ist für Lagerstähle der Elastizitätsmodul etwa 2,10 × 10⁶ kg/cm² (30 Millionen Pfund/Zoll²) und die Streckung wird angegeben in Längeneinheiten (Zoll) der Verformung pro Längeneinheit (Zoll) der ursprünglichen Größe.

Frühere Techniken wurden auf das nicht-betriebsmäßige Messen von Lagerparametern angewandt. Zum Beispiel beschreiben Womble et al in US-Patent 4,763,523, daß ein Paar von Fühlern von Meßwandlern als Festkörper von Hand durch einen Techniker angebracht werden können, um Fehler in Achslagern von Eisenbahnwagen zu bestimmen. Ein Riß, der sich in einer Lagerlaufbahn entwickelt, sendet einen akustischen Stoßimpuls aus, wenn ein rollendes Element den Riß quert. Der Stoßimpuls wird dann durch die Festkörper-Fühler des Meßwandlers erfaßt. In ähnlicher Weise beschreiben Bourgeois-Jacquet et al in EP 0 856 733 A1, daß Ultraschall-Sensoren in einen inneren oder einen äußeren Ring eines Kranlagers eingesetzt werden können, um Beschädigungen an der Oberfläche und unterhalb der Oberfläche festzustellen, die sich aus dem Kranbetrieb ergeben. Eine Technik zum Bestimmen eines Betrags einer Vorlast, die auf einen Bolzen aufgebracht wurde, unter Verwendung eines elektromagnetischen akustischen Meßwandlers wurde auch durch Whaley et al in US-Patent 5,499,540 beschrieben.

Es wurden auch Verfahren verwendet, um auf eine Belastungszone in Wälzelementlagern aus Messungen von kalibrierten Dehnungsmeßgeräten zu schließen, wie es durch Rhodes et al in US-Patent 5,952,587 beschrieben wurde, das hier durch Bezugnahme in die Offenbarung aufgenommen wird. Jedoch erfordern diese Verfahren eine Modifikation des Lagers an den Stellen, an denen eine Abstützung für die aufgebrachte Last erforderlich ist. Mit anderen Worten, es muß Material von dem Lager entfernt werden, um für die Anordnung von Deh nungsmeßgeräten zu sorgen. Darüberhinaus sind Dehnungsmeßtechniken abhängig von einer Anzahl von Faktoren, die nicht leicht vorhersagbar sein können, wie beispielsweise Freiräume in dem System und die Stärke der Stützstruktur.

Das Vorstehende veranschaulicht bekannte Beschränkungen, die in gegenwärtigen Vor richtungen und Verfahren bestehen. Es ist daher ersichtlich, daß es vorteilhaft wäre, eine Alternative zu schaffen, die auf die Überwindung einer oder mehrerer der oben beschriebenen Beschränkungen gerichtet ist. Demgemäß wird eine geeignete Alternative geschaffen mit Merkmalen, die vollständiger nachstehend offenbart werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird dies erreicht durch dynamisches Feststellen von Spannungen in Wälzelementlagern durch Übertragung und Auswertung einer Ultraschallwelle. Die Spannung eines Wälzelementlagers wird nicht-invasiv und nicht-zerstörend in situ gemessen, d. h. während des Lagerbetriebs. Es sind nur sehr geringfügige Modifikationen des Lagerelements erforderlich, und es wird keine Verschlechterung der Lasttragekapazität durch das Entfernen von Material des Wälzelementlagers vorgenommen. Die Ultraschall-Spannungs messung bietet eine wesentliche Verbesserung gegenüber der Messung mit Dehnungsmeßgerä ten. Es werden zeitliche Veränderungen eines akustischen Signals gemessen anstelle von Widerstandsveränderungen eines Dehnungsmeßstreifens, um dadurch die Probleme zu ver mindern, die mit Umgebungsfaktoren zusammenhängen, wie beispielsweise die Temperatur und eine Veränderung im Widerstand des Meßkreises.

Die Spannung wird in einem Wälzelementlager mit einer akustischen Signaleinheit gemessen, die ein akustisches Signal über das Wälzelementlager überträgt und empfängt. Die Laufzeit des akustischen Signals wird bestimmt, und eine Spannungsberechnungseinheit berechnet die Spannung in dem Wälzelementlager aus der Laufzeit. Ein erster Wandler erzeugt ein akusti sches Signal in dem Wälzelementlager in Abhängigkeit von einem ersten elektrischen Signal, während ein zweiter Wandler ein zweites elektrisches Signal in Abhängigkeit von dem empfangenen akustischen Signal erzeugt. Die ersten und zweiten elektrischen Signale werden dann verglichen, um eine Zeitdifferenz festzustellen, die einer Veränderung der Spannung in dem Lager entspricht. Die Spannung wird in einem Wälzelementlager gemäß der folgenden Formel berechnet: Spannung = K × L × Δt, wobei K die akustische Geschwindigkeits-Span nungskonstante für das Wälzelementlager ist, L die durch das akustische Signal über das Lager zurückgelegte Entfernung ist und Δt die Laufzeit des akustischen Signals ist.

Die vorstehenden und andere Aspekte werden ersichtlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung bei Betrachtung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungs figuren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine seitliche Stirnansicht eines Laufrings für ein Wälzelementlager, das einen Ultraschallwandler trägt.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines äußeren Lagerlaufrings, der eine Vielzahl von Ultraschallwandlern trägt.

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht eines Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalls, das piezo elektrische Eigenschaften zeigt.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Messen von Spannungen in einem Wälzelementlager gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines Computers, der zum Berechnen eines Span nungswertes eines Wälzelementlagers verwendet wird.

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung.

Fig. 7 ist ein detailliertes Blockdiagramm einer akustischen Signaleinheit mit einer Signalerzeugungseinheit.

Fig. 8 ist ein detailliertes Blockdiagramm einer akustischen Signaleinheit mit einer Signalempfangseinheit.

Fig. 9 ist ein detailliertes Blockdiagramm einer Berechnungseinheit.

Fig. 10 ist eine Schnittansicht eines Lagerlaufrings, der einen einzelnen Meßwandler für die Ultraschall-Spannungsmessung trägt.

Fig. 11 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager unter Verwendung eines einzigen Meßwandlers.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1, bei denen gleiche Zahlen gleiche Komponenten bezeichnen, wird ein erstes Ausführungsbeispiel gezeigt und beschrieben, das eine dynamische Ultraschallmessung von Parametern in Wälz elementlagern liefert.

Fig. 1 ist eine seitliche Stirnansicht eines Wälzelementlagers 20 mit einer Vielzahl von Wälzelementen 22, die zwischen einem inneren Laufring 24 und einem äußeren Laufring 26 angeordnet sind. Ein erster Meßwandler 28a ist an einer ersten Fläche des äußeren Laufrings 26 angeordnet, während ein zweiter Meßwandler 28b (in Fig. 1 nicht gezeigt) an einer zweiten Fläche desselben angebracht ist.

Wenn das Lager 20 belastet wird, verändert sich der Spannungszustand in jedem des inneren Laufrings 24 und des äußeren Laufrings 26. Somit können die Meßwandler an dem inneren oder dem äußeren Laufring angebracht werden, abhängig von der Lageranwendung. Im allgemeinen werden die Meßwandler vorzugsweise an einem stationären Laufring angebracht.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht des äußeren Laufrings 26, der Ultraschall-Meßwandler 28a und 28b trägt. Wie dargestellt, hat der äußere Laufring 26 eine erste Fläche 26a, die als eine äußere Oberfläche einer ersten Lippe 26e ausgebildet ist, und eine zweite Fläche 26b, die als eine äußere Oberfläche einer zweiten Lippe 26f ausgebildet ist. Eine radiale Kontakt oberfläche 26d ist als eine innere Oberfläche eines radialen Stegs 26c ausgebildet. Der erste Meßwandler 28a ist an der ersten Fläche 26a angebracht, während der zweite Meßwandler 28b an der zweiten Fläche 26b angebracht ist. Jeder der ersten und zweiten Meßwandler ist elektrisch mittels elektrischer Verbinder 32a und 32b mit einer Impulserzeugungs- und Analyse-Hardware 30 verbunden.

Im allgemeinen wird ein elektrischer Impuls verwendet, um den Meßwandler 28a anzuregen, wodurch ein akustischer Impuls erzeugt wird. Die Zeit, die der akustische Impuls benötigt, um übertragen zu werden und an der gegenüberliegenden Lagerfläche 28b empfangen zu werden, wird dann als Laufzeit gemessen. Wenn eine Last auf das Lager aufgebracht wird, wird die sich ergebende Veränderung in der Übertragungszeit aufgezeichnet.

Ein Wandler 38 ist vorzugsweise ein Ultraschallwandler in der Form eines Kristalls, das eine starke piezoelektrische Wirkung zeigt. Wenn er durch ein solches elektrisches Signal erregt wird, schwingt der Wandler 28a und verursacht, daß eine akustische Welle in das zugehörige Glied, d. h. den äußeren Laufring 26, übertragen wird. Diese akustische Welle wandert dann über das Glied und berührt den zweiten Wandler 28b, der an der gegenüberliegenden Fläche angebracht ist. Wenn die akustische Welle den zweiten Wandler 28b berührt, wird der Wandler mechanisch erregt, was dann den Wandler veranlaßt, ein elektrisches Signal zu erzeugen, daß ähnlich demjenigen ist, das auf den ersten Wandler aufgebracht wurde. Die Zeit zwischen den übertragenen und empfangenen Signalen stellt die Laufzeit durch das Glied dar.

Eine Druckspannung in dem Laufring erhöht die Geschwindigkeit eines akustischen Signals in dem Stahl und vermindert die Übertragungszeit über den Laufring. Umgekehrt erhöht eine Zugspannung die akustische Übertragungszeit. Diese Veränderung in der akustischen Ge schwindigkeit ist proportional zu einer Änderung in der Spannung über einen weiten Bereich. Mit anderen Worten, wenn die Druckspannung in dem Stahl zunimmt, nimmt die Über tragungszeit proportional zu dem Kehrwert der Größe der Spannung ab.

Die akustisch-elastische Eigenschaft eines Materials ist das Phänomen, das verursacht, daß die akustische Geschwindigkeit einer Schallwelle, die durch das Material übertragen wird, mit dessen Spannungszustand variiert. Die vorliegende Erfindung verwendet die akustisch-elasti sche Eigenschaft von Materialien und insbesondere die akustisch-elastische Eigenschaft von Stahl, um Spannungen in belasteten Lagergliedern zu bestimmen. Diese Geschwindigkeitsver änderung beruht auf der Einführung einer Anisotropie in das Material, das in dem freien Zustand isotropisch ist.

Die Laufzeit einer akustischen Welle über ein Material ist ein praktischer Weg zum Be stimmen einer akustischen Geschwindigkeit in Wälzelementlagern und daher zur Bestimmung der aufgebrachten Spannung. Eine Veränderung der Laufzeit einer aufgebrachten akustischen Welle wird durch zwei Phänomene erzeugt, die in dem Material gleichzeitig auftreten, nämlich: Die Veränderung in der Geschwindigkeit des akustischen Signals selbst und die Veränderung der Entfernung, über die das akustische Signal wandert. Die Veränderung in der Wanderungsentfernung beruht auf einer Streckung des Materials in einer Richtung senkrecht zu der aufgebrachten Hauptspannung.

Die Poisson-Streckung ist die Streckung in einem Material, die senkrecht zu der aufgebrach ten Spannung ist. In dieser Beziehung verursacht die Poisson-Streckung, daß die Breite einer Lagerlaufbahn um etwa 0,3 × den Betrag der Abnahme in der Dicke der Laufbahn unter einer aufgebrachten radialen Druckspannung ansteigt. Jedoch ist der Anstieg der akustischen Wanderzeit aufgrund der Poisson-Streckung in dem Lagerlaufring etwa 1/4 der Zeitver änderung aufgrund des Geschwindigkeitsanstiegs. Wichtiger ist, daß diese Effekte gleichzeitig und in demselben Ausmaß auftreten, wodurch sie gleichzeitig in die gemessenen Werte eingehen.

Die Spannung in Wälzelementlagern ergibt sich aus dem Kontakt zwischen lasttragenden Elementen, einschließlich der Wälzelemente, und den inneren und äußeren Laufringen. Während des normalen Betriebs, d. h. bei Anwesenheit einer angemessenen Schmierung und unter Auslegelasten, wird das Niveau der Spannung in den lasttragenden Komponenten am direktesten die Lagerlebensdauer beeinflussen. Die aufgebrachte Last gibt Veranlassung für eine Spannung in den lasttragenden Komponenten durch Verteilung über die Wälzelemente, die durch Kontakt mit den Lagerlaufringen die aufgebrachte Last auf das Lagergehäuse und das Gestell übertragen. Die aufgebrachte Last wird schließlich in den Erdboden übertragen.

Die nutzbare Lebensdauer von Komponenten von Wälzelementlagern wird weitgehend durch Spannungen bestimmt. Wegen der zyklischen Aufbringung von Spannungen unterliegen die Komponenten einer endlichen Anzahl von Spannungszyklen, bevor sie beginnen zu ermüden und schließlich für die Abstützung der aufgebrachten Last ausfallen. Vorhersagen nach Lundberg und Palmgren können verwendet werden, um eine Anzahl von Spannungszyklen vorherzusagen, die ein Material aushalten kann. Die Lundberg- und Palmgren-Vorhersagen lassen vermuten, daß die Anzahl der Spannungszyklen proportional zu einem Verhältnis von Auslegekapazität zu aufgebrachter Last sind, erhöht um einen Exponenten von 3 oder 3 1/3. Der verwendete Exponent hängt davon ab, ob die Wälzelemente Kugeln oder Rollen sind.

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht eines Ultraschallwandlers 38, der für den ersten Wandler 28a und den zweiten Wandler 28b verwendet werden kann. Der Wandler 38 hat einen piezoelektrischen Körper 40, der mit einer Elektrodenoberfläche 42 verbunden ist. Vorzugs weise wird eine Ultraschallwelle unter Verwendung eines Schermodulwandlers erzeugt. Mit anderen Worten, der Wandler 38 ist vorzugsweise in einer Richtung 34 polarisiert, die senkrecht zu der Richtung des aufgebrachten elektrischen Feldes 36 während der Erregung des Wandlers ist.

Die Wandler 28a und 28b sind vorzugsweise piezoelektrische PZT-Kristalle mit einer Fläche von 4,57 mal 4,57 mm und einer Dicke von 0,203 mm (0,180 Zoll im Quadrat und 0,008 Zoll dick), die an entgegengesetzten Seiten eines Lagerlaufrings angebracht sind. Die Wandler sind an dem Laufring mit einem Epoxyharz und einem Epoxyhärter befestigt. Dieses Epoxyd bietet im wesentlichen einen Film mit einer Dicke Null zwischen dem Wandler und einer Lagerfläche, um eine elektrische Erdverbindung über Oberflächen-Unebenheiten hinweg zu erhalten.

Während der Herstellung des Wandlers 38 wird ein elektrisches Feld in der Richtung der Polarisation 34 aufgebracht. Während des Betriebs des Wandlers wird eine Spannung aufge bracht, die ein elektrisches Feld 36 erzeugt. Wie in Fig. 3 veranschaulicht ist, wird das elektrische Feld 36 in einer Richtung 37 übertragen. Mit anderen Worten, der Wandler 38 ist vorzugsweise in einer Richtung 34 polarisiert, die senkrecht zu der Dicke des Wandlers ist.

Die Polarisierungsrichtung 34 bestimmt die Richtung der Teilchenbewegung in der erzeugten akustischen Welle. Der Wandler 38 schwingt in der Polarisierungsrichtung 34 senkrecht zu dem elektrischen Feld 36, wie dargestellt. Der Wandler 38 ist an dem Lager angebracht mit der Polarisierungsrichtung 34 parallel zu der Richtung der Hauptspannung, welches im wesentlichen die radiale Richtung in dem Lager ist. Daher wandert die erzeugte Ultra schallwelle über das Lager mit der Richtung der Teilchenbewegung parallel zu der aufge brachten radialen Last.

Natürlich wandert die akustische Welle nicht in dem Wandler 38 selbst, vielmehr schwingt der Wandler 38 in der Richtung der Polarisierung, was eine akustische Welle in dem Material hervorruft, auf welchem er installiert ist. Diese akustische Welle wandert in dem Material in der in Fig. 3 gezeigten Richtung 37.

Wenn piezoelektrische Kristalle verwendet werden, um die radiale Spannung in Wälzelement lagern zu bestimmen, wird die radiale Spannung vorzugsweise unter Verwendung einer Querwelle, d. h. einer Scherwelle, gemessen. In der Querwelle bewegen sich die Teilchen senkrecht zu der Richtung der Wellenwanderung. Sowohl in Längswellen wie auch in Querwellen ist die Geschwindigkeit der Welle stark beeinflußt durch die Spannung, die in der Richtung der Teilchenbewegung aufgebracht ist. In einer Längswelle ist die Richtung der Teilchenbewegung die gleiche wie die Richtung der Wellenbewegung. In einer Scherwelle ist die Richtung der Teilchenbewegung senkrecht zu der Richtung der Wellenbewegung. Bei Verwendung von Schermodulwandlern, die an gegenüberliegenden Flächen des Lagers angebracht sind, wird die akustische Geschwindigkeit einer erzeugten Querwelle stark beeinflußt durch die radiale Spannung in dem Lager, wobei die radiale Spannung die bedeu tendste Komponente der Spannung in dem Lager ist. Eine direkte Messung der radialen Spannung wird aus der Laufzeit der akustischen Querwelle geliefert.

Die Laufzeit, die für eine akustische Welle erforderlich ist, um die Breite eines Gliedes zu überqueren, ist auf die aufgebrachte Last auf zweierlei Weise bezogen. Erstens, wenn das Glied belastet wird, verändern sich die Dimensionen des Glieds. Somit verändert sich die Zeit, die das Signal benötigt, um über das Glied zu wandern, aufgrund von Veränderungen in der Länge der Signalwanderung. Zweitens, wenn das Glied belastet wird, verändert sich die Geschwindigkeit, mit der das akustische Signal über das Glied wandert. Dies beruht auf der Spannung in dem Material des Glieds. Daher gestattet es die Kenntnis der Beziehung zwi schen der Spannung in dem Lager, der zugehörigen Veränderung in der Lagerbreite und der akustischen Geschwindigkeit, die Spannung zu berechnen.

Weil die Laufzeit direkt auf die Spannung bezogen ist, wie oben festgestellt wurde, kann eine Konstante verwendet werden, um die Laufzeit direkt in die Spannung umzuwandeln. Bei spielsweise haben experimentelle Prüfungen gezeigt, daß die für ein akustisches Signal benötigte Zeit zur Wanderung über 25,4 mm (1 Zoll) von American Iron and Steel Institute ("AISI") 52100 Lagerstahl unter einer Null-Spannung 7,585 µsec beträgt. Mit anderen Worten, die Geschwindigkeit der akustischen Welle durch den Lagerstahl beträgt 3348,71 mm/sec (131,839 Zoll/sec). Experimentelle Prüfungen haben gezeigt, daß die Laufzeit um eine Nanosekunde abnimmt je 234,3 kg/cm² (3333 psi) einer einachsigen Druckspannung, die in der Richtung der Polarisation der akustischen Scherwelle aufgebracht wird. Somit wird die Konversionskonstante "K" für die akustische Geschwindigkeitsspannung in einem AISI 52100 Lagerstahl bestimmt auf 234,3 kg/cm² (3333 psi) pro (nsec-in) oder 234,3 kg/cm² (3333 lbs) pro (nsec-in³).

Im Hinblick auf die obige Bestimmung der akustischen Geschwindigkeits-Spannungs-Kon stante K kann die Spannung wie folgt berechnet werden:
Spannung = K × L x Δt,
wobei K die akustische Geschwindigkeits-Spannungs-Konstante für den Stahl, L die durch das akustische Signal über den Stahl zurückgelegte Entfernung und Δt die Laufzeit des akusti schen Signals ist.

Die Streckung, d. h. die Verformung, des Stahls verändert die durch das akustische Signal L zurückgelegte Entfernung. Die Streckung in der Richtung der Wellenwanderung, die auf der aufgebrachten Spannung beruht, wird aus dem Elastizitätsmodul und dem Poisson-Verhältnis für den Lagerstahl berechnet, die etwa 30 × 10⁶ und 0,3 betragen. Das Poisson-Verhältnis stellt den Anteil der Streckung dar, um den sich ein Material in der Richtung senkrecht zu der aufgebrachten Spannung verformt. Somit streckt sich bei 234,3 kg/cm² (3333 psi) in der Richtung der Hauptspannung das Material wie folgt:
Streckung = (Spannung)/(Elastizitätsmodul)
Streckung = 234,3/30 × 10⁶ = 0,0028194 mm, d. h. 2819,4 µmm
(3333/30 × 10⁶ = 0,000111 Zoll, d. h. 111 µZoll).

Daher ist die Streckung in der Richtung der Wellenwanderung, die senkrecht zu der Richtung der Hauptspannung ist,
2819,4 µmm × 0,3 = 0,000845 mm, d. h. 845 µmm
(111 µZoll × 0,3 = 0,000033 Zoll, d. h. 33 µZoll).

Die Veränderung in der Laufzeit aufgrund dieser Verlängerung der Weglänge beträgt
83,82 × 10^-5 mm × 0,2986 µsec/mm = 25,0 × 10^-5 µsec
(3.3 × 10^-5 Zoll × 7,585 µsec/Zoll = 2,50 × 10^-4 µsec).

Damit ist der Wert 0,250 Nanosekunden; d. h. etwa ein Viertel der Änderung um eine Nanose kunde aufgrund der aufgebrachten Spannung. Mit anderen Worten, für jeweils 234,3 kg/cm² (3333 psi) aufgebrachte Spannung vermindert sich die Laufzeit um etwa 1,25 Nanosekunden aufgrund der Spannung innerhalb des Stahls und erhöht sich um etwa 0,25 Nanosekunden aufgrund der Streckung des Stahls.

Jeder Ultraschallwandler, wie er schematisch in Fig. 3 veranschaulicht ist, ist vorzugsweise aus PZT ("Blei-Zirkonat-Titanat")-Kristallen hergestellt, die piezoelektrische Eigenschaften zeigen. Die PZT-Kristalle verändern ihre physikalische Größe bei der Anwendung eines elektrischen Feldes. Um einen Wandler aus einem rohen Kristall herzustellen, wird das Kristall in Bezug auf eine Schwingungsrichtung polarisiert. Um das Kristall zu polarisieren, wird ein elektrisches Feld auf das Kristall unter hoher Temperatur aufgebracht, um die piezoelektrischen Domänen auszurichten.

Der Modus des Wandlers wird bestimmt durch die Orientierung der Polarisierungsrichtung relativ zu der Wanderungsrichtung einer akustischen Welle. Bei einem Schermodulwandler ist die Richtung der Polarisierung senkrecht zu den Leiterverbindungen, so daß das Kristall in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der Wellenwanderung schwingt. Mit anderen Worten, die Welle bewegt sich in der Richtung der Leiterbefestigung, während die Teilchen in der Welle sich in der Richtung der Polarisierung bewegen. Weitere Einzelheiten bezüglich der Techniken, die zum Polarisieren von Wandlern verwendet werden, können gefunden werden bei A.R. Selfridge, "The Design and Fabrication of Ultrasonic Transducers and Transducer Arrays", Ph.D. Dissertation, Stanford University, 1983.

Wenn ein einzelner Impuls von kurzer Dauer auf den Wandler aufgebracht wird, schwingt der Wandler mit allen Frequenzen, die in dem akustischen Impulssignal vorhanden sind. Jedoch ist die Amplitude der Schwingung am größten bei der Resonanzfrequenz des Wandlers. Darüberhinaus ist die Schwingungsamplitude am größten, wenn die Resonanzfrequenz des Wandlers nahe bei der fundamentalen Frequenz des akustischen Impulssignals ist. Daher ist es wünschenswert, daß die fundamentale Impulsfrequenz so gewählt wird, daß sie zu der Resonanzfrequenz des Wandlers paßt.

Die Resonanzfrequenz des Wandlers wird primär durch die Wandlerdicke bestimmt. All gemein ist die Wandlerdicke gleich einer Hälfte der Wellenlänge eines Signals, das mit seiner Resonanzfrequenz oszilliert. Somit entspricht für einen 0,14 mm (0,0055 Zoll) dicken Wandler eine Wellenlänge von 0,28 mm (0,011 Zoll) einer Frequenz von 16 MHz wie folgt:
f = c/ë
c = akustische Geschwindigkeit in m/sec (Zoll/sec) = 4500 m/sec = 1.77 × 10⁵ Zoll/sec, für ein PZT-Kristall
f = Frequenz in Hz
ë = akustische Wellenlänge in Millimeter (Zoll)

Nach der Herstellung des Wandlers wird die Betriebsweise durch Analysieren der Impedanz überprüft. Dann wird die Resonanzfrequenz des Wandlers bestimmt.

Der bevorzugte Wert für eine Wandler-Resonanzfrequenz für die Wälzelementlager der vorliegenden Erfindung ist 10 MHz. Ein Wandler, der eine Resonanzfrequenz von 10 MHz hat, wird aus zwei Gründen bevorzugt:

1. Die Größe des Wandlers bestimmt seine Resonanzfrequenz. Ein 10 MHz-Wandler paßt in die Lagerumhüllung mit nur geringen Modifikationen des Lagers und ist doch von annehmbarer Größe, um leicht gehandhabt und an der Lageroberfläche angebracht werden zu können.
2. Eine Frequenz von 10 MHz hat eine akustische Welle zur Folge, die recht gut fokussiert ist. Das heißt die akustische Welle breitet sich zwischen der Übertragungs- und Emp fangsgröße nicht übermäßig so aus, daß ihre Amplitude an der Empfangsstelle drastisch vermindert ist.

Die Dauer des auf den Wandler 28a aufgebrachten Impulses beträgt vorzugsweise 20 Nanose kunden. Somit ist bei einer Resonanzfrequenz von 10 MHz die Dauer eines vollen Zyklus der Erregungsspannung des Kristalls 100 Nanosekunden. Ferner, um das Kristall auf seine volle Ausdehnung zu erregen, wäre ein Viertel einer vollen Periode erforderlich, d. h. 25 Nanose kunden. Daher wird ein Impuls von 20 Nanosekunden bevorzugt, um das Kristall zu erregen, was gerade unterhalb der Zeit liegt, die zur vollständigen Erregung des Kristalls erforderlich ist.

Die Zeit zwischen den Impulsen wird so gewählt, daß es jeglichen Reflexionen, die bei Oszillationen in dem Lagerlaufring 26 vorhanden sind, möglich ist, gedämpft zu werden, bevor ein folgender Impuls ankommt. Eine Frequenz der Impulse von 500 Hz wird bevor zugt.

Wenn einmal die Resonanzfrequenz bestimmt ist, wird dann eine Technik angewandt, um die Laufzeit des Signals über eine Entfernung zu bestimmen, die der Breite des Laufrings des Lagers entspricht. Eine Vielzahl von unterschiedlichen Signaltypen kann über den Lager laufring 26 übertragen werden. Jedoch ist die Art des über das Lager übertragenen Signals bezogen auf die verwendete Technik zum Senden und Empfangen des Signals und auch auf das Verfahren, mit dem die Laufzeit gemessen wird. Im allgemeinen wird, wenn ein Impuls als Art des übertragenen Signals verwendet wird, die Laufzeit direkt gemessen durch Aus lösung eines Zeitgebers, der eingeschaltet wird, wenn das Signal übertragen oder gesendet wird, und der abgeschaltet wird, wenn das Signal empfangen wird.

Fig. 4 veranschaulicht eine Vorrichtung 50 zum Messen eines Parameters eines Wälzele mentlagers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im allgemeinen wird ein akustisches Signal durch eine akustische Signaleinheit 52a erzeugt, über ein Wälz elementlager 20 übertragen und dann durch eine akustische Signaleinheit 52b empfangen. Zusammen bilden die akustische Signaleinheit 52a und die akustische Signaleinheit 52b eine akustische Signaleinheit 52. Das akustische Signal ist vorzugsweise ein akustisches Ul traschallsignal. Eine Information, die der Übertragungszeit des akustischen Signals entspricht, wird von der akustischen Signaleinheit 52 auf eine Berechnungseinheit 54 übertragen. In ähnlicher Weise wird eine Information, die der Empfangszeit des akustischen Signals ent spricht, von der akustischen Signaleinheit 52 zu der Berechnungseinheit 54 übertragen. Gemeinsam bilden die Übertragungszeit und die Empfangszeit des akustischen Signals eine Information bezüglich der Laufzeit für die Berechnungseinheit 54. Die Berechnungseinheit 54 berechnet dann aus der Laufzeit-Information einen Ausgangswert, der der Spannung in dem Wälzelementlager 20 entspricht.

Der Ausgangswert der Berechnungseinheit 54 kann eine Vielzahl von Formen annehmen, die für einen Benutzer als Anzeige der Spannung erkennbar sein können. Zum Beispiel und abhängig von der Art der Anwendung ist der Ausgangswert der Berechnungseinheit 54 eine analoge elektrische Spannung, die direkt der mechanischen Spannung entspricht. Der Wert der Analogspannung kann direkt verwendet werden, um ein mechanisches Spannungsniveau anzuzeigen, oder er kann in Spannungseinheiten umgewandelt werden. Die Umwandlung kann von Hand unter Bezugnahme auf eine Umwandlungstabelle vorgenommen werden, zum Beispiel während einer Feldmessung, oder sie kann durch Verbindung mit einem Computer vorgenommen werden. Alternativ kann der Ausgangswert der Analogspannung durch ein analoges Voltmeter empfangen werden, das eine Skala hat, die Spannungseinheiten anzeigt.

Eine Bedienungsperson würde während eines Feldversuchs ein elektrisches Spannungsniveau als einen Parameter erkennen, der ein mechanisches Spannungsniveau in einem Lager anzeigt, und sie könnte daher diese Information direkt zur Analyse und zur möglichen Einstellung des Lagers verwenden. Ein Beispiel für eine Lagereinstellung wäre es, einen Betrag von Vorlast einzustellen, der auf das Lager aufgebracht wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung liefert die Berechnungseinheit 54 einen Wert eines Lagerparameters, wie beispielsweise Spannung, Temperatur oder Ge schwindigkeit. Eine detaillierte Beschreibung der Berechnung von Temperatur und Ge schwindigkeit wird unten gegeben.

Fig. 5 veranschaulicht einen Computer 60, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung verwendet wird. Fig. 5 veranschaulicht den Computer 60, der eine zentrale Prozessoreinheit ("CPU") 62, eine Anzeige 64, einen Random-Access-Speicher ("RAM") 66, eine Tastatur 68, einen Nurlesespeicher ("ROM") 70, eine Maus 72, einen Drucker/Plotter 74 und einen Analog-Digital-Wandler ("A/D") 76, einen Digitaleingang 78 (der seriell oder parallel sein kann) und einen Diskettenspeicher 80 aufweist. Die Komponenten des Computers 60 sind elektrisch durch eine Datenleitung 82 verbunden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Information be züglich der Laufzeit von der akustischen Signaleinheit 52 ausgegeben und durch den Compu ter 60 empfangen. Der Computer 60 analysiert dann die Information gemäß den oben wie dergegebenen Gleichungen, um einen Spannungswert in gewünschten Einheiten zu erhalten. Der Spannungswert wird dann selektiv von dem Display 64, oder dem Drucker/Plotter 74 ausgegeben, oder er wird in dem Diskettenspeicher 80 für eine spätere Analyse gespeichert. Gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann die Laufzeit information digital oder analog sein, wenn sie von der akustischen Signaleinheit 52 ausge geben wird. Wenn die Laufzeitinformation digital ist, wird die Information durch einen digitalen Eingang 78 des Computers (82) 60 empfangen. Wenn andererseits die Laufzeit information analog ist, wird die Laufzeitinformation durch den Analog-Digital-Wandler A/D 76 empfangen und dann in digitale Form vor der Analyse und Berechnung durch den Compu ter 60 umgewandelt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Ausgangswert der Berechnungseinheit 54 in den Analog-Digital-Wandler A/D 76 zur Analyse durch den Computer 60 eingegeben.

Fig. 6 veranschaulicht eine Vorrichtung 50 zum Messen eines Parameters eines Wälzelement lagers gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie ver anschaulicht, weist die Vorrichtung 50 eine akustische Signaleinheit 52 auf, die eine akusti sche Signaleinheit 52a und eine akustische Signaleinheit 52b umfaßt. Die akustische Signal einheit 52a erzeugt ein akustisches Signal, während die akustische Signaleinheit 52b das akustische Signal nach der Übertragung über das Lager 20 empfängt. Die Berechnungseinheit 54 bestimmt die Laufzeit des akustischen Signals aus den Ausgangswerten der akustischen Signaleinheit 52 (72).

Wie in Fig. 6 veranschaulicht ist, weist die akustische Signaleinheit 52a eine Signalerzeu gungseinheit 90 auf, die ein elektrisches Signal erzeugt und das elektrische Signal an einen Wandler 92 abgibt. Der Wandler 92 ist vorzugsweise ein piezoelektrischer PZT-Wandler, wie oben beschrieben. Der Wandler 92 ist direkt an dem Lager 20 befestigt und erzeugt ein akustisches Signal in Abhängigkeit von dem elektrischen Ausgangssignal von der Signal erzeugungseinheit 90. Die akustische Signaleinheit 52b weist einen Wandler 94 auf, der an dem Lager 20 befestigt ist und das über das Lager 20 übertragene akustische Signal emp fängt. Der Wandler 94 ist vorzugsweise ein piezoelektrischer PZT-Wandler, wie oben be schrieben. Der Wandler 94 wandelt das empfangene akustische Signal in ein elektrisches Signal um, das wiederum durch eine Signalempfangseinheit 96 empfangen und verstärkt wird.

Die Berechnungseinheit 54 empfängt ein erstes elektrisches Signal von der Signalerzeugungs einheit 90, was der Initialisierung des akustischen Signals durch den Wandler 92 entspricht. In ähnlicher Weise empfängt die Spannungs-Berechnungs-Einheit 54 ein zweites elektrisches Signal von der Signalempfangseinheit 96, was einer Empfangszeit des akustischen Signals durch den Wandler 94 entspricht. Die Spannungs-Berechnungseinheit 54 weist eine Ver gleichseinheit 98 auf, die jedes der ersten und zweiten elektrischen Signale vergleicht, um einen Zeitunterschied festzustellen. Der Zeitunterschied zwischen den ersten und zweiten elektrischen Signalen entspricht einer Laufzeit des akustischen Signals über das Lager 20. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gibt die Vergleichseinheit 98 ein Ausgangssignal ab, das der Laufzeit des akustischen Signals entspricht. Wie oben be schrieben, hat das Ausgangssignal die Form einer elektrischen Spannung. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Ausgangssignal digital zum Lesen und Analysieren durch einen Computer sein. Das Ausgangssignal entspricht den Parametern des Wälzelementlagers, wie beispielsweise Spannung, Temperatur und Geschwin digkeit.

Die Fig. 7, 8 und 9 veranschaulichen insbesondere detaillierte schematische Ansichten der akustischen Signaleinheit 52a, der akustischen Signaleinheit 52b und der Spannungs-Be rechnungseinheit 54 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung. Im allgemeinen wird ein elektrischer Spannungsimpuls verwendet, um den Wandler 92 anzutreiben, der die Form eines PZT-Kristalls hat. Das akustische Signal wird durch den Wandler 94 aufgenommen und als gedämpfter sinusförmiger Impuls ausgegeben. Dieser Impuls wird dann verarbeitet, um die Zeit des Auftretens des ersten Nulldurchgangs an schließend an die erste Spitzenauswanderung des Signals seit der vorhergehenden Messung zu extrahieren. Das Zeitintervall zwischen dem Auftreten des Übertragungsimpulses und diesem Nulldurchgang wird dann in einen elektrischen Spannungsausgang umgewandelt, der skaliert und versetzt ist, um eine hohe Auflösung der kleinen Variationen in der Übertragungszeit zu liefern, die als Ergebnis der aufgebrachten mechanischen Spannung auftreten.

Gemäß Fig. 7 weist die akustische Signaleinheit 52a eine Signalerzeugungseinheit 100 und den Wandler 92 auf. Die Signalerzeugungseinheit 100 hat eine Uhr 102, die vorzugsweise ein 20-MHz-Kristall-Oszillator ist. Die Uhr 102 treibt einen Zähler 104, der eine Impulswiederho lungsrate für das System vorgibt. Der Zähler 104 erzeugt einen Impuls von 40 nsec, der durch einen Impulsgenerator 106 verstärkt wird und der dann zu dem Wandler 92 geführt wird. Da der Wandler 92 eine hohe kapazitive Last darstellt, wird ein beträchtlicher Betrag von Strom benötigt, um den erforderlichen elektrischen Spannungsausschlag zu erzielen. Der Impulsgenerator 106 kann mit kommerziell erhältlichen integrierten Schaltkreisen implemen tiert werden, um ein kostengünstiges Verfahren zur Erzeugung des Signals zu schaffen. Im allgemeinen ist es vorteilhaft, einen kleineren Wandlerbereich zu verwenden, um die Wand lerkapazität zu minimieren. Es scheint jedoch kein Vorteil damit verbunden zu sein, eine niedrigere Übertragungsfrequenz zu verwenden, da dies mehr Energie für den Übertragungs impuls erfordert, zusammen mit der sich daraus ergebenden Ungewißheit über die Stelle des Nulldurchgangs des empfangenen Signals. Der Zähler 104 gibt auch ein Signal zum Empfang durch die Berechnungseinheit 54 (Fig. 9) ab.

Wie in Fig. 8 veranschaulicht ist, weist die akustische Signaleinheit 52b den Wandler 94 und eine Signalempfangseinheit 106 auf. Der Wandler 94 wandelt das empfangene akustische Signal in ein elektrisches Signal um, das wiederum durch einen Vorverstärker 108 verstärkt wird. Eine Spitzenermittlungseinheit 110 extrahiert und speichert den Spitzenwertausgang von dem Vorverstärker 108. Andererseits schafft ein Begrenzungsverstärker 112 eine abge schnittene (clipped) Version des Vorverstärker-Ausgangs. Ein Spannungsteiler 114 multipli ziert das Ausgangssignal der Spitzenermittlungseinheit 110 mit etwa "0,65" aus den unten erläuterten Gründen. Ein Vergleicher 116 vergleicht dann den augenblicklichen Wert des Ausgangs von dem Vorverstärker 108 mit dem 0,65-Wert des Ausgangssignals von dem Spannungsteiler 114.

Der Wandler 94 empfängt eine "läutende" Sinuswelle von dem Lager 20 aufgrund von sukzessiv gedämpften Oszillationen des urprünglich übertragenen akustischen Signals. Da das läutende Sinuswellen-Ausgangssignal von dem Empfangswandler 94 stark gedämpft ist, übersteigt nur der erste Halbzyklus des empfangenen Impulses 65% seines Spitzenwerts. Der Vergleicher 116 wird daher nur während des ersten Halbzyklus des empfangenen Impulses aktiviert. Der Vergleicher 116 löst einen Einkreisgenerator 118 aus, der einen Impuls von kurzer Dauer erzeugt. Der von dem Einkreisgenerator 118 abgegebene kurzzeitige Impuls, in Kombination mit einem Gatter 120 blendet alle Nulldurchgänge aus mit Ausnahme des Nulldurchgangs, der unmittelbar auf den ersten Halbzyklus des empfangenen Impulses folgt.

Impulsechos und Hintergrundgeräusche haben eine wesentlich geringere Amplitude als der primäre empfangene Impuls, und sie werden daher durch das System ignoriert. Das Gatter 120 gibt dann das Signal an die Berechnungseinheit 54 ab.

Fig. 9 veranschaulicht die Berechnungseinheit 54 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Berechnungseinheit 54 umfaßt einen einstellbaren Verzögerer 122, einen Rampengenerator 124 und einen Ausgangskonditionierer 126. Ein Benutzer stellt den einstellbaren Verzögerer 122 so ein, daß er eine geringfügig geringere Zeit aufweist als eine erwartete Übergangszeit eines akustischen Signalimpulses. Am Ende der Verzögerungs periode wird der Rampengenerator 124 ausgelöst. Der Rampengenerator 124 benutzt eine Stromquelle, um einen Kondensator mit einer kontrollierten Rate zu laden. Die Spannungs rampe auf den Kondensator geht weiter, bis ein Signal durch das Gatter 120 festgestellt wird, das der Ankunft des Ziel-Nulldurchgangs des empfangenen Impulses entspricht. Der Wert der Spannungsrampe wird dann gehalten bis unmittelbar vor dem Start der nächsten Rampe, wenn er schnell wieder auf Null gesetzt wird, um für die nächste Rampe bereit zu sein. Der Ausgangskonditionierer-Schaltkreis 126 skaliert, versetzt und puffert dann die Rampen spannung zur Verwendung durch andere Instrumente.

Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und unter be sonderer Bezugnahme auf die Fig. 7, 8 und 9 erzeugt die Vorrichtung einen Impuls mit einer Übergangszeit von 500 nsec, um einen Ausgangsbereich von 20 Volt zu erzeugen. Es wurde beobachtet, daß Geräusche am Ausgang kleiner als 0,4 Millivolt RMS sind, was einem 10 psec/RMS-Geräusch entspricht, das am Eingang auftritt.

Fig. 10 ist eine schematische Ansicht eines Lagerlaufrings 26, der einen einzigen Wandler 130 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung trägt. Gemäß dem veranschau lichten Ausführungsbeispiel wird die Laufzeit eines akustischen Impulses über den Lager laufring 26 gemäß einem Impuls-Echo-Verfahren gemessen. Das Impuls-Echo beinhaltet die Verwendung eines einzigen Wandlers 130, der vorzugsweise ein piezoelektrisches PZT- Kristall ist. Durch Übertragung und Empfang der Signale an der gleichen Seite des Lagers wird eine einzige elektrische Verbindung 132 verwendet.

Gemäß dem in Fig. 10 veranschaulichten Impuls-Echo-Verfahren wird ein akustischer Signalimpuls 134 von einem Wandler 130 übertragen und von der zweiten Fläche 26b des Lagerlaufrings 26 reflektiert. Die für den Signaldurchgang benötigte Zeit wird dann durch zwei geteilt, um die Laufzeit über eine Entfernung zu bestimmen, die der Breite des Lager laufrings 26 entspricht.

Fig. 11 veranschaulicht eine Vorrichtung 135 zum Messen einer Spannung in einem Wälz elementlager gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 135 weist eine akustische Signaleinheit 136 auf, die einen Wandler 130 hat. Die akustische Signaleinheit 136 erzeugt ein akustisches Signal und empfängt das reflektierte akustische Signal von dem Lager 20. Somit ist die Laufzeit des akustischen Signals über eine Entfer nung, die der Breite des Lagerlaufrings entspricht, gleich einer Hälfte der Zeitdifferenz zwischen dem übertragenen Impuls und dem empfangenen Impuls. Die Zeitinformation wird an eine Berechnungseinheit 138 weitergegeben, die einen Ausgangswert erzeugt, der eine mechanische Spannung in dem Lager 20 anzeigt. Der Ausgangswert kann analog oder digital sein, und er kann direkt interpretiert werden oder zur Analyse mittels eines Computers verwendet werden. Eine detaillierte Beschreibung der Komponenten, die zum Erzeugen und Feststellen des akustischen Signals von dem Lager 20 verwendet werden, ist vorstehend unter Bezug auf die Fig. 7, 8, 9 offenbart. Deren Verständnis ist für Fachleute dieses Gebiets ohne weiteres bekannt und eine weitere Beschreibung ist geeigneterweise weggelassen.

Viele Lagerparameter können aus einem akustischen Ultraschallsignal bestimmt werden. Die mechanische Spannungsbestimmung ist oben beschrieben. Andere Lagerparameter, die aus einem akustischen Ultraschall-Signal bestimmt werden können, umfassen Temperatur und Geschwindigkeit.

Die Temperatur ist ein wichtiger Parameter für Wälzelementlager. Die Geschwindigkeit des akustischen Signals und, in geringerem Maße, die Größe der Lagerkomponente werden durch die Temperatur der Komponente wie auch durch ihren Spannungszustand beeinflußt. Jedoch verändert sich die Quantität der Spannung periodisch aufgrund des Ablaufens der Wälzel emente über den Lagerring. Daher hat das Ausgangssignal eine zyklische Veränderung in Bezug auf ein Grundniveau, d. h. ein Gleichstromniveau. Die zyklische Veränderung ist daher die mechanische Spannung von dem Wälzelementumlauf, was ein Parameter von Interesse ist, während das Grundniveau die Spannung in der Komponente unter einer aufgebrachten Nulllast wie auch unter ihrer gegenwärtigen Temperatur darstellt. Veränderungen in dem Grundniveau, d. h. Gleichstromversatz, werden von einer Spannungs-Berechnungseinheit ausgegeben, um eine Temperaturinformation bezüglich des Lagers zu liefern.

Kurz gesagt verändert sich die Gleichstromkomponente mit der Temperatur und die Wechsel stromkomponente verändert sich mit der Spannung. Die Temperatur ist ein wichtiger Be triebsparameter in Lagern und liefert Informationen bezüglich der Güte des Betriebs. Die Temperaturinformation kann verwendet werden, um eine Anzeige dafür zu liefern, daß das Lager in ungeeigneter Weise benutzt wird oder sich einer gefährlichen und potentiell die Lebensdauer gefährdenden Bedingung nähert. Daher kann die Kenntnis der Betriebstempera tur in einer Anzahl verschiedener Weisen verwendet werden. Sie kann verwendet werden in Verbindung mit einer Spannungsmessung, um die Geeignetheit der Anwendung für das zu benutzende Lager festzustellen. Alternativ kann die Temperaturinformation verwendet werden, um den Benutzer auf die Notwendigkeit einer Änderung der Betriebsbedingung aufmerksam zu machen, die eine Beschädigung des Lagers hervorrufen kann, oder um eine Wartung des Lagers durchzuführen.

Die Geschwindigkeit ist auch ein wichtiger Parameter für Wälzelementlager. Die Häufigkeit von Wälzelementdurchgängen in dem Wälzelementlager, d. h. die Frequenz der Spannungs änderungen, ist direkt auf die Geschwindigkeit des Lagers bezogen, und liefert daher zusätzli che Informationen bezüglich der Lageranalyse. Die Lagergeschwindigkeit kann daher direkt aus der Frequenz der Wälzelementdurchgänge und der Lagergeometrie berechnet werden.

Wie oben beschrieben, kann die Messung der Laufzeit verwendet werden, um eine Anzahl von wichtigen Echtzeit-Betriebsparametern in Lagern festzustellen, einschließlich von, aber nicht beschränkt auf Spannungen (und daraus Belastungen), Temperatur und Geschwindigkeit.

Wälzelementbelastungen können aus der Messung der Laufzeit eines akustischen Signals bestimmt werden. Bei Durchführung eines Kalibriervorgangs, wie in Rhodes et al in US- Patent 5,952,587 beschrieben, können die Belastungen von Lager-Wälzelementen direkt aus der oben beschriebenen Spannungsmessung abgeleitet werden. Somit wird der Kalibrier vorgang nach Rhodes et al auf die festgestellte Spannung in dem Lager angewendet, um dadurch die Belastung festzustellen. Wälzelementbelastungen sind nützlich zur Feststellung der Geeignetheit der Anwendung für das zur Verwendung vorgesehene Lager, zum Aufzeich nen und Überwachen von Veränderungen in der Verteilung der Lagerlast, zum Bestimmen der Struktur, die das Lager abstützt, und zum Bestimmen der Lasten in der Einrichtung, in der das Lager installiert ist, oder von Systembelastungen. Die Kenntis der Systembelastungen kann verwendet werden, um das Verfahren zu überwachen und zu steuern, das mit der Einrichtung durchgeführt wird, in der das Lager installiert ist.

Das Vorstehende wird nur als Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung angesehen, und da zahlreiche Modifikationen und Veränderungen für die Fachleute leicht erkennbar sind, ist es nicht gewünscht, die Erfindung auf die gezeigte und beschriebene genaue Konstruktion und Betriebsweise einzuschränken, und demgemäß können alle geeigneten Modifikationen und Äquivalente in Betracht kommen, die in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager mit
einer akustischen Signaleinheit zur Übertragung eines akustischen Signals über das Wälzelementlager, zum Empfangen des akustischen Signals und zur Ausgabe von Information bezüglich einer Laufzeit des akustischen Signals; und
einer Berechnungseinheit zum Berechnen der Spannung in dem Wälzelementlager aufgrund der ausgegebenen Information.

2. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 1, wobei die akustische Signaleinheit aufweist
eine Signalerzeugungseinheit zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals;
einen ersten Wandler zum Erzeugen des akustischen Signals in Abhängigkeit von dem ersten elektrischen Signal; und
einen zweiten Wandler zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Signals in Abhängigkeit von dem empfangenen akustischen Signal; und
wobei die Berechnungseinheit aufweist
eine Vergleichseinheit zum Vergleichen der ersten und zweiten elektrischen Signale zum Bestimmen der Laufzeit des akustischen Signals, wobei die Laufzeit der Spannung in dem Wälzelementlager entspricht.

3. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 2, wobei die Vergleichseinheit die Spannung nach der Formel
Spannung = K × L x Δt
berechnet, wobei K die akustische Geschwindigkeits-Spannungs-Konstante für das Wälzelementlager ist, L die von dem akustischen Signal über das Wälzelementlager hinweg zurückgelegte Entfernung ist, und Δt die Laufzeit des akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg ist.

4. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 2, wobei die Vergleichseinheit die Spannung durch Multiplizieren der akustischen Zeitkon stante für das Wälzelementlager mit der durch das akustische Signal über das Wälzel ementlager hinweg zurückgelegten Entfernung und mit der durch die Vergleichseinheit ermittelten Laufzeit berechnet.

5. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 2, bei der die ersten und zweiten Wandler an gegenüberliegenden Seiten einer Laufbahn des Wälzelementlagers befestigt sind.

6. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 2, bei der die ersten und zweiten Wandler an gegenüberliegenden Seiten einer Laufbahn des Wälzelementlagers mit Epoxyharz befestigt sind.

7. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 2, bei der die ersten und zweiten Wandler an gegenüberliegenden Seiten einer Lager laufbahn des Wälzelementlagers befestigt sind, wobei die Lagerlaufbahn eine aus der Gruppe ist, die aus einer inneren Laufbahn und einer äußeren Laufbahn besteht.

8. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 1, wobei die akustische Signaleinheit ein erstes elektrisches Signal erzeugt und aufweist
einen Wandler, der an einer Seite einer Laufbahn des Wälzelementlagers befestigt ist, um ein akustisches Signal in Abhängigkeit von dem ersten elektrischen Signal zu erzeugen,
wobei der Wandler ein zweites elektrisches Signal in Abhängigkeit von dem Empfang einer Reflexion des erzeugten akustischen Signals erzeugt und das zweite elektrische Signal ausgibt.

9. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 8, wobei die Berechnungseinheit die ersten und zweiten elektrischen Signale emp fängt und vergleicht, um eine Zeitdifferenz festzustellen, wobei die Zeitdifferenz zweimal der Laufzeit des akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg entspricht und wobei die Laufzeit der Spannung in dem Lager entspricht.

10. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 9, wobei die Berechnungseinheit die Spannung durch Multiplizieren der akustischen Zeitkonstante für das Wälzelementlager mit der Entfernung über das Wälzelementlager hinweg und mit der Laufzeit des akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg berechnet.

11. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 8, wobei der Wandler an einer Seite einer Laufbahn des Wälzelementlagers befestigt ist.

12. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 11, wobei die Laufbahn eine aus der Gruppe ist, die aus einer inneren Lagerlaufbahn und einer äußeren Lagerlaufbahn besteht.

13. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 1, wobei die Berechnungseinheit aufweist
eine Vergleichseinheit zum Vergleichen der Sendezeit und der Empfangszeit des akustischen Signals zum Bestimmen der Laufzeit des akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg als ausgegebene Information, wobei die Laufzeit der Spannung in dem Wälzelementlager entspricht.

14. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 1, bei der das akustische Signal ein akustisches Ultraschallsignal ist.

15. Verfahren zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager mit
Aussenden eines akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg;
Empfangen des gesendeten akustischen Signals von dem Wälzelementlager;
Bestimmen einer Laufzeit des akustischen Signals über das Wälzelementlager von der Sendezeit zu der Empfangszeit; und
Berechnen der Spannung in dem Wälzelementlager aus der ermittelten Laufzeit.

16. Verfahren zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 15 mit
Erzeugen eines ersten elektrischen Signals;
Erzeugen des akustischen Signals in Abhängigkeit von dem ersten elektrischen Signal;
Erzeugen eines zweiten elektrischen Signals in Abhängigkeit von dem emp fangenen akustischen Signal; und
Vergleichen der ersten und zweiten elektrischen Signale zum Bestimmen einer Zeitdifferenz, wobei die Zeitdifferenz der Laufzeit des akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg entspricht.

17. Verfahren zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 15, wobei die Spannung nach der folgenden Formel berechnet wird
Spannung = K × L x Δt,
wobei K die akustische Geschwindigkeits-Spannungs-Konstante für das Wälzelement lager ist, L die durch das akustische Signal über das Wälzelementlager hinweg zurück gelegte Entfernung ist und Δt die Laufzeit über das Wälzelementlager hinweg ist.

18. Verfahren zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 15 mit
Erzeugen eines ersten elektrischen Signals;
Erzeugen des akustischen Signals in Abhängigkeit von dem ersten elektrischen Signal;
Erzeugen eines zweiten elektrischen Signals in Abhängigkeit von einer Reflexion des erzeugten akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg; und
Vergleichen der ersten und zweiten elektrischen Signale zum Bestimmen einer Zeitdifferenz, wobei die Zeitdifferenz zweimal der Laufzeit des akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg entspricht.

19. Verfahren zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 15, wobei das akustische Signal ein akustisches Ultraschallsignal ist.

20. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager mit
einer Einrichtung zum Aussenden eines akustischen Signals über das Wälz elementlager hinweg und zum Empfangen des ausgesandten akustischen Signals von dem Wälzelementlager,
einer Einrichtung zum Bestimmen der Laufzeit des akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg aus der Sendezeit und der Empfangszeit; und
einer Einrichtung zum Berechnen der Spannung in dem Wälzelementlager aus der ermittelten Laufzeit.

21. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 20, wobei die Einrichtung zum Senden und Empfangen erste und zweite Wandler aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten einer Laufbahn des Wälzelementlagers angebracht sind.

22. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 20, wobei die Einrichtung zum Senden und Empfangen einen einzigen Wandler aufweist, der an einer Seite einer Laufbahn des Wälzelementlagers angebracht ist, und wobei die Laufzeit einer Hälfte der Differenz zwischen der Zeit der Erzeugung und der Zeit des Empfangs des akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg entspricht.

23. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager mit
einer Signalerzeugungseinheit zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals;
einem ersten Wandler, der an einer Laufbahn des Wälzelementlagers befestigt ist, zum Erzeugen eines akustischen Signals in Abhängigkeit von dem ersten elek trischen Signal;
einem zweiten Wandler, der an der Laufbahn des Wälzelementlagers gegenüber dem ersten Wandler befestigt ist, zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Signals in Abhängigkeit von dem empfangenen akustischen Signal; und
einer Vergleichseinheit zum Vergleichen der ersten und zweiten elektrischen Signale zum Bestimmen einer Zeitdifferenz, wobei die Zeitdifferenz einer Lauf zeit des akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg entspricht und die Laufzeit der Spannung in dem Wälzelementlager entspricht.

24. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager nach Anspruch 23, wobei die Vergleichseinheit die Spannung berechnet durch Multiplizieren der akusti schen Zeitkonstante für die Laufbahn des Wälzelementlagers mit der Entfernung, die durch das akustische Signal über die Laufbahn hinweg zurückgelegt wird, und der Zeitdifferenz, die durch die Vergleichseinheit festgestellt wird.

25. Vorrichtung zum Messen eines Parameters eines Wälzelementlagers mit
einer akustischen Signaleinheit zum Aussenden eines akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg, zum Empfangen des akustischen Signals und zum Ausgeben einer Information, die einer Laufzeit des akustischen Signals entspricht; und
einer Berechnungseinheit zum Berechnen eines Parameters des Wälzelementlagers aus der ausgegebenen Information.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der der Parameter die Spannung in dem Wälzel ementlager ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, bei der Lagerelementbelastungen aus dem Spannungs parameter abgeleitet werden.

28. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der der Parameter die Temperatur des Wälzelement lagers ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der
die ausgegebene Information in Übereinstimmung mit dem Umlauf von Wälzel ementen in Bezug auf die akustische Signaleinheit fluktuiert und die Anzahl der Fluktuationen pro Zeiteinheit der Geschwindigkeit des Wälzelementlagers ent spricht, und
der Parameter die Geschwindigkeit des Wälzelementlagers ist.

30. Verfahren zum Messen eines Parameters eines Wälzelementlagers mit
Aussenden eines akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg;
Empfangen des ausgesandten akustischen Signals von dem Wälzelementlager;
Bestimmen einer Laufzeit des akustischen Signals aus der Sendezeit und der Empfangszeit; und
Berechnen eines Parameters des Wälzelementlagers aus der ermittelten Laufzeit.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei der Parameter die Spannung in dem Wälzel ementlager ist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der Lagerelementbelastungen aus dem Spannungs parameter abgeleitet werden.

33. Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der der Parameter die Temperatur des Wälzelement lagers ist.

34. Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der
die ausgegebene Information gemäß dem Umlauf der Wälzelemente in Bezug auf die akustische Signaleinheit fluktuiert und die Anzahl der Fluktuationen pro Zeiteinheit der Geschwindigkeit des Wälzelementlagers entspricht, und
der Parameter die Geschwindigkeit des Wälzelementlagers ist.

35. Vorrichtung zum Messen der Spannung in einem Wälzelementlager mit
einer Signalerzeugungseinheit zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals;
einem ersten Wandler, der an einer Laufbahn des Wälzelementlagers befestigt ist, um ein akustisches Signal in Abhängigkeit von dem ersten elektrischen Signal zu erzeugen;
einem zweiten Wandler, der an der Laufbahn des Wälzelementlagers gegenüber dem ersten Wandler befestigt ist, um ein zweites elektrisches Signal in Abhängig keit von dem empfangenen akustischen Signal zu erzeugen; und
einer Vergleichseinheit zum Vergleichen der ersten und zweiten elektrischen Signale zum Bestimmen einer Zeitdifferenz, wobei die Zeitdifferenz einer Lauf zeit des akustischen Signals über das Wälzelementlager hinweg entspricht und die Laufzeit der Spannung in dem Wälzelementlager entspricht,
wobei die Vergleichseinheit die Spannung durch Multiplizieren der akustischen Zeitkonstante für das Wälzelementlager mit der durch das akustische Signal über das Wälzelementlager hinweg zurückgelegten Entfernung und mit der durch die Vergleichseinheit festgestellten Zeitdifferenz berechnet.