DE102004043754B3

DE102004043754B3 - Messvorrichtung zum Erfassen von Belastungen einer Lagerung

Info

Publication number: DE102004043754B3
Application number: DE102004043754A
Authority: DE
Inventors: Stefan GLÜCK
Original assignee: FAG Kugelfischer AG and Co OHG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-09-11
Also published as: EP1787099A1; JP2008512690A; US7526967B2; WO2006026948A1; US20080092664A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (1, 16) zum Erfassen von Belastungen einer Lagerung (5, 17), wobei die Belastungen anhand von elastischen Formänderungen messbar sind, die Messvorrichtung (1, 16) mit dem Licht wenigstens einer auf zumindest einen Lichtdurchlass (4, 19) gerichteten Lichtquelle (2, 20) und mit wenigstens einem Lichtsensor (3, 21), wobei wenigstens ein den Lichtdurchlass (4, 19) passierender und auf den Lichtsensor (3, 21) treffender Anteil des Lichtes (23) mittels der elastischen Formänderungen des Lichtdurchlasses (4, 19) größenveränderlich ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Erfassen von Belastungen einer Lagerung, wobei die Belastungen anhand von elastischen Formänderungen messbar sind.

Hintergrund der Erfindung

Eine derartige Messvorrichtung ist in DE 26 42 044 B1 beschrieben. Statische und dynamische Belastungen eines Wälzlagers werden in aufwendiger Form mittels Dehnmessstreifen ermittelt. Kenngröße für die Bewertung der Belastung des Lagers ist die elastische Verformung des Lagers selbst. Dabei wird in der Regel die Verformung eines Lagerringes im Wälzkontakt unter Last von den Dehnmessstreifen erfasst. Die Dehnmessstreifen sind dazu unmittelbar an dem belasteten Lagerring befestigt. Diese Sensorik braucht am Lager Bauraum und ist gegen Umwelteinflüsse zu schützen. Derartige Anordnungen sind in der Regel deshalb aufwendig.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfache und kostengünstige sowie gegen Einflüsse aus der Umgebung relativ unempfindliche Messvorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe ist nach dem Gegenstand des Anspruches 1 durch eine optische Messvorrichtung mit folgenden Merkmalen gelöst:

- Die Messvorrichtung weist wenigstens eine Lichtquelle auf. Denkbar sind alle technischen Lichtquellen, wie zum Beispiel Leuchtdioden, Laserquellen, Infrarotlichtquellen, Lampen usw.. Die Art des Lichtes, in der Regel ein Bündel von Strahlen, ist alternativ wählbar und abhängig von der gewählten Lichtquelle.
- Die Messvorrichtung weist mindestens einen oder mehrere sinnvoll in der Nähe der Lagerung angeordnete Lichtdurchlässe auf. Der Lichtdurchlass ist beispielsweise ein Spalt, ein Schlitz oder eine Bohrung bzw. ein anders gestalteter Durchgang für Licht. An dem Rand des Lichtdurchlasses wird ein Teil des Lichtes der Lichtquelle zurückgehalten. Der andere Teil des Lichtes geht durch den Durchlass hindurch und trifft ungehindert auf den Lichtsensor oder auf einen Reflektor. Der Durchlassquerschnitt des Lichtdurchlasses ist durch Verformungen an den Kanten, die den Lichtdurchlass begrenzen, veränderlich. Denkbar ist auch, dass sich die Kanten, ohne sich zu verformen, gegenüber einer Ausgangslage verlagern und den Lichtdurchlass somit ändern. Belastungen des Lagers führen zu elastischen Verformungen des Materials der Stütze zumindest in dem Bereich, in dem der Lichtdurchlass ausgebildet ist. Als Folge davon, nähern oder verlagern sich die aneinander gegenüberliegenden und den Lichtdurchlass begrenzenden Kanten aneinander an oder entfernen sich voneinander. Der Lichtdurchlass/Spalt wirkt somit als Blende. Die freie Öffnung der Blende ändert sich analog zu der Größe der auf das Lager ausgeübten Belastungen.
- Belastungen sind alle auf das Lager wirkenden Aktions- und Reaktionskräfte, die aus der Lagerung eines dreh- bzw. linearbeweglichen Bauteiles resultieren.
- Der/die Sensoren sind in Abhängigkeit von der Lichtquelle alle geeigneten technischen Wandler von Licht wie lichtempfindliche Widerstände, Photodioden, Phototransistoren o. ä..
- Die Stütze sitzt entweder zwischen einem durch die Lagerung beweglich zu lagernden Bauteil und der Lagerung oder die Stütze stützt die Lagerung mit dem Bauteil gegen die Umgebung ab. Im ersten Fall werden die Belastungen aus dem Bauteil über die Stütze an die Lagerung weiter gegeben. Beispiel: die Stütze sitzt radial zwischen einem Wellenzapfen und einem Innenring eines Rotativlagers, in dem die Welle drehbar gelagert ist. Im zuletzt genannten Fall, einer Ausgestaltung der Erfindung, werden die Belastungen von dem Bauteil zunächst an die Lagerung und dann an die Stütze weitergeleitet. Beispiel: Lagerflansch bzw. gehäusefeste Lagerstütze zwischen einem Gehäuse und einem Lager, in dem das Bauteil mittels wenigstens des Rotativ-/Linearlagers gelagert ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach und robust ausgebildet sowie kostengünstig herzustellen. So ist es, wie eine Ausgestaltung der Erfindung vorsieht, denkbar den Lichtdurchlass/die Lichtdurchlässe in einem Adapter bzw. Stützring auszubilden. Der Stützring kann beliebig aus Kunststoff oder anderen geeigneten Materialien hergestellt und mit den Lichtdurchlässen versehen werden. Die Sensorik aus Lichtquelle und Sensor sowie alle notwendigen weiteren elektrischen und elektronischen Bauteile sind entweder getrennt von dem Stützring angeordnet oder sind wahlweise in diesen integriert.

Unter Lagerungen sind alle Rotativ- bzw. Linearlager oder wahlweise Kombinationen aus diesen zu verstehen, die ein oder mehrere Bauteile drehbeweglich bzw. linearverschiebbar lagern. Die Messvorrichtung ist vorzugsweise an Rotativ-, Gleit- oder Wälzlagern eingesetzt.

Eine gesonderte fertigungstechnische Vorbereitung der Lager für deren Verwendung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht notwendig. Der Einsatz aller beliebigen Radial- bzw. Axiallager oder Kombinationen aus diesen ist denkbar. Die wesentlichen Bestandteile der Messvorrichtung sind in einem Adapterring integrierbar. Der Adapterring kann, wenn er zum Beispiel aus Kunststoff gestaltet ist, beliebig an schon vorhandene Umgebungskonstruktionen angepasst werden. Aufgrund der räumlichen Distanz des Lichtdurchlasses zu dem belasteten Lager sind die Belastungen der Lagerstelle ohne den Einfluss der elastischen Verformungen an Lagerringen auf die Messwerte messbar. Bei entsprechender Nähe zum Lager und bei ausreichender Flexibilität der Stütze im Bereich der Lichtdurchlässe können aber auch derartige Verformungen mit der Messvorrichtung mit erfasst werden. Die Messvorrichtung gestattet das Erfassen von Lagerlasten in Bereichen von geringen bis zu hohen Lasten und ermöglicht damit zum Beispiel das Erkennen von Unwuchten.

Die Messvorrichtung ist gegen Zerstörung aus Überlasten gesichert. In einem solchen Fall sind zum Beispiel die elastischen Bereiche mit den Lichtdurchlässen in Reihe oder parallel mit starren Anteilen der Stütze geschaltet. Die starren Stützen nehmen Überlasten im Sinne einer Überlastsicherung auf. Denkbar ist auch, dass eine derartige Überlastsicherung durch die Größe des Lichtdurchlasses, d. h. durch die Höhe des Spaltes selbst, vorgegeben ist. Beim Überschreiten einer bestimmten Last treffen dann zum Beispiel die einander am Spalt gegenüberliegenden Körperkanten aufeinander, so dass das Spaltmaß des Lichtdurchlasses zumindest stellenweise gleich Null ist.

Mit einer weiteren alternativen Ausgestaltungen der Erfindung ist die Sensorik/Messvorrichtung zumindest aus den Lichtsensoren und den Lichtquellen, Verbindungselementen sowie weiteren elektronischen Bausteinen wahlweise als Baueinheit zum Beispiel auf einer Platine vormontiert. Die Baueinheit wird bei Montage der Messvorrichtung in den Stützring gesteckt.

Die wechselnde Helligkeit des Lichtes, Alterungen der Lichtquelle oder des Lichtsensors, Schwankungen in der Stromversorgung und der Einfluss aus der Umgebung wie Temperatur- und Luftfeuchte usw. beeinflussen und verfälschen unter Umständen die Messergebnisse. Deshalb weist die Messvorrichtung in der Regel einen weiteren Vergleichssensor zum Lichtsensor auf und/oder ist zusätzlich mit einer Vergleichslichtquelle zur Lichtquelle versehen, so dass dauerhaft ein Vergleich der Ist- mit den Sollwerten vorgenommen werden kann.

Beschreibung der Zeichnungen
Die 1a und 1b zeigen vereinfacht eine Messvorrichtung zum Erfassen von Belastungen einer Lagerung 5 in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse 5a der Lagerung 5. In 1a ist die Messvorrichtung 1 vor der Fertigmontage und in 1b als fertig montierte Baugruppe dargestellt. Die Lagerung 5 ist in diesem Fall ein Radiallager, beispielsweise ein Wälz- oder Gleitlager. Die Messvorrichtung 1 weist wenigstens eine Lichtquelle 2, mindestens einen Lichtsensor 3 und zumindest einen Lichtdurchlass 4 auf. Der Lichtdurchlass 4 ist von der Lagerung 5 räumlich getrennt in einer zumindest teilweise elastisch nachgiebigen sowie mit der Lagerung 5 gekoppelten Stütze 6 in Form eines Stützringes 6a ausgebildet. Das Radiallager ist in dem Stützring 6a aufgenommen. Der Stützring 6a ist ein Verbundteil mit z.B. einem Außenring eines Rotativlagers. Der nicht weiter dargestellte Außenring ist zur Herstellung des Verbundes mit dem Kunststoff des Stützringes 6a umspritzt. Denkbar ist auch, dass der Stützring auf den Außenring aufgepresst ist.
Die Lichtquelle 2 und der Lichtsensor 3 sind auf einer gemeinsamen Platine 7, zusammen mit weiteren elektronischen Bausteinen 8 und Leitern bzw. Anschlusselementen 9, zu einer Einheit 10 montiert. Der Stützring 6a weist eine Kammer 11 und eine weitere Kammer 12 auf. Die Kammern 11 und 12 sind durch einen radialen Steg 13 des Stützringes 6a voneinander getrennt. In dem Steg 13 ist der Lichtdurchlass 4 ausgebildet. Der Steg 13 ist in Radialrichtung zumindest so elastisch nachgiebig ausgelegt, dass das radiale Spaltmaß S des Lichtdurchlasses 4 in Abhängigkeit von den Belastungen an der Lagerung 5 veränderlich ist. Bei dem Zusammenbau der Messvorrichtung 1 wird die Einheit 10 in die Kammer 11 gesteckt und in dem Stützring 6a befestigt. Die Kammer 11 ist stirnseitig mit einem Deckel 14 verschlossen, der für den Anschluss von Leitern mit Durchkontaktierungen versehen sein kann und wahlweise die Kammer 11 wasserdicht verschließt.
Die Lichtquelle 2 ragt durch den Steg 13 in die Kammer 12. Dem Steg 13 liegt in der Kammer 12 axial ein Reflektor 15 gegenüber, der auf den Lichtdurchlass 4 gerichtet ist. Die Kammer 12 ist stirnseitig auch mit einem Deckel 14 verschlossen, an dem der Reflektor 15 befestigt oder wahlweise durch Beschichten aufgebracht sein kann. Der Lichtsensor 3 erfasst den Anteil des Lichtes der Lichtquelle 2, der durch den Reflektor 15 auf den Lichtdurchlass 4 reflektiert ist und den Lichtdurchlass 4 passiert.
2 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 16 zum Erfassen von Belastungen einer Lagerung 17. Die Lagerung ist von einer ortsfesten Stütze 18 in Form eines Stützringes 18a umfasst. Mit der Lagerung 17 ist eine Welle, von der nur der Wellenstumpf 22 angedeutet ist, drehbar gelagert. Der Stützring 18a ist zum Beispiel aus Kunststoff gefertigt. In den Stützring 18a ist räumlich getrennt von der Lagerung 17 wenigstens ein Lichtdurchlass 19 ausgebildet, dem jeweils wenigstens eine Lichtquelle 20 und ein Lichtsensor 21 zugeordnet sind.
Die Belastungen der Lagerung 17 sind anhand der Änderungen des Spaltmaßes des Lichtdurchlasses 19 von S auf S_x und umgekehrt erfassbar. Das Spaltmaß S ist von den Belastungen F und daraus an dem Stützring 18a im Bereich des Lichtdurchlasses resultierenden elastischen Formänderungen abhängig. Ein Anteil 27 des Lichtes 23 der außerhalb der Stütze 18 auf den Lichtdurchlass 19 gerichteten Lichtquelle 20 passiert den Lichtdurchlass 19. Der von der Größe des Spaltmaßes S bis S_x und somit von den Belastungen, beispielsweise von der Kraft F abhängige Anteil 23 des Lichtes 22 wird auf der zur Lichtquelle 20 entgegengesetzten Seite von einem Lichtsensor 21 erfasst, von einer Auswerteeinheit 26 abgefragt und über Leiter 24 weitergegeben. Die Sensorik ist mittels eines gestrichelt dargestellten Gehäuses 25 verkapselt.

1: Messvorrichtung
2: Lichtquelle
3: Lichtsensor
4: Lichtdurchlass
5: Lagerung
5a: Rotationsachse
6: Stütze
6a: Stützring
7: Platine
8: Baustein
9: Anschlusselement
10: Einheit
11: Kammer
12: Kammer
13: Steg
14: Deckel
15: Reflektor
16: Messvorrichtung
17: Lagerung
18: Stütze
18a: Stützring
19: Lichtdurchlass
20: Lichtquelle
21: Lichtsensor
22: Wellenstumpf
23: Licht
24: Leiter
25: Gehäuse
26: Auswerteeinheit
27: Anteil

Claims

Messvorrichtung (1, 16) zum Erfassen von Belastungen einer Lagerung (5, 17) wobei die Belastungen anhand von eastischen Formänderungen messbar sind, die Messvorrichtung (1, 16) mit dem Licht wenigstens einer auf zumindest einen Lichtdurchlass (4, 19) gerichteten Lichtquelle (2, 20) und mit wenigstens einem Lichtsensor (3, 21) arbeitet, wobei wenigstens ein den Lichtdurchlass (4, 19) passierender und auf den Lichtsensor (3, 21) treffender Anteil des Lichtes (23) mittels der elastisch Formänderungen des Lichtdurchlasses (4, 19) größenveränderlich ist und wobei der Lichtdurchlass (4, 19) von der Lagerung (5, 17) räumlich getrennt in einer zumindest teilweise elastisch nachgiebigen sowie mit der Lagerung (5, 17) gekoppelten Stütze (6, 18) ausgebildet ist und dabei zumindest durch die Belastungen auf die Lagerung (5, 17) elastisch verformbar ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, an der die Lagerung (5, 17) gegen die Belastungen zumindest an dem Teil der Stütze (6, 18) abgestützt ist, an dem der Lichtdurchlass (4, 19) ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Stütze (6, 18) mit dem Lichtdurchlass (4, 19) ein Stützring (6a, 18a) für das Lager (5, 17) und das Lager (5, 17) wenigstens ein Rotativlager ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Lagerung (5, 17) in dem Stützring (6a, 18a) aufgenommen ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 3, die in den Stützring (6a) integriert ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 5, mit einer in den Stützring (6a) steckbaren Einheit (10), die zumindest aus der Lichtquelle (2) und dem Lichtsensor (3) besteht.
Messvorrichtung nach Anspruch 5, mit einer in den Stützring (6a) steckbaren Einheit (10) bestehend aus zumindest einer Trägerplatine (7) für die Lichtquelle (2), aus dem Lichtsensor (3) sowie aus Verbindungs- sowie Anschlusselementen (9).
Messvorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Stützring (6a, 18a) aus Kunststoff ist und an der Lagerung (5, 17) fest ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 3, mit wenigstens einem sich radial von der Lagerung (5) erstreckenden Steg (13) an dem Stützring (6a), wobei der Steg (13) wenigstens einen der Lichtdurchlässe (4) aufweist.
Messvorrichtung nach Anspruch 8, in der sich die Lichtquelle (20) und wenigstens einer der Lichtsensoren (21) durch den Stützring (18a) voneinander getrennt so gegenüberliegen, dass zumindest ein Teil des Lichtes (23) durch den Lichtdurchlass (19) hindurch auf den Lichtsensor (21) gerichtet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 7, in der die Lichtquelle (2) und wenigstens einer der Lichtsensoren (3) einem Reflektor (15) so gegenüberliegen, dass das Licht von dem Reflektor (15) zumindest anteilig auf den Lichtsensor (3) reflektierbar ist.