DE102007003470A1

DE102007003470A1 - Lagereinheit mit einstellbarem Reibmoment zur Bereitstellung einer Bremsfunktion

Info

Publication number: DE102007003470A1
Application number: DE102007003470A
Authority: DE
Inventors: Sergej Dr. Schwarz
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2008-07-31
Also published as: WO2008089727A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Reibmoments eines Lagers. Die Steuerung des Reibmoments ermöglicht es, dass im Lager gezielt Bremskräfte erzeugt werden können. Erfindungsgemäß ist diese Vorrichtung in das Lager integriert. Vorzugsweise ist das Lager ein Wälzlager mit einem Wälzlagerkäfig (03), an dessen Seitenring eine Bremsscheibe (05) befestigt ist, die mit einem am Außenring (01) des Wälzlagers angeordneten Bremsbelag (06) in Reibkontakt bringbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Reibmoments eines Lagers. Darüber lässt sich in ein Lager gleichzeitig eine Bremsfunktion integrieren, wobei die Bremskraft bei Bedarf variiert werden kann.
Bei verschiedenen Anwendungen ist neben einer Lagereinheit, die beispielsweise als Wälz-, Gleit-, Magnet- und Luftlager ausgeführt sein kann, eine Brems- bzw. Drehmomentregeleinheit installiert. Die Aufgabe dieser Regeleinheit besteht darin, ein regelbares oder nicht regelbares Dreh- oder Bremsmoment einzustellen. Ein Beispiel für eine derartige Anwendung ist ein Hometrainer, bei dem die Pedale in einer Wälzlagereinheit gelagert sind, die so ausgelegt ist, dass das Drehmoment sehr niedrig ist. Gleichzeitig ist zusätzlich zu dieser Lagereinheit eine Brems- bzw. Drehmomentregeleinheit vorgesehen, zum Beispiel eine Wirbelstrombremse, die gegen das leicht gängige Wälzlager geregelt bremst. Aus der DE 20 2004 000 287 U1 ist ein derartiges Trainingsgerät bekannt, welches eine im Grundgestell gelagerte und über fahrradartige Tretkurbeln angetriebene erste Welle und eine elektromagnetische Bremseinheit mit einer auf einer zweiten Welle befestigten Schwungscheibe umfasst. Als Bremseinheit kann eine Wirbelstrombremse eingesetzt werden.
Ähnliche Konstellationen treten zumindest zeitweilig auf vielen Gebieten auf, wenn beispielsweise Bremsvorgänge eingeleitet werden. Die Trennung von Lagerfunktion und Brems- bzw. Drehmomentregelfunktion hat den Nachteil, dass solche Lösungen einen großen Platzbedarf mit sich bringen.
In der DE 34 02 522 A1 ist ein Wälzlager beschrieben, bei dem der Außenring mit einer Bremsbacke drehfest über einen Tragbügel verbunden ist. In den Tragbügel sind Bolzen eingeschraubt, auf denen die mit Bohrungen versehene Bremsbacke senkrecht zur Bohrungswandung des Innenrings in Längsrichtung verschiebbar angeordnet ist. Die Bremsbacke liegt an der Bohrungswandung des Innenrings an, unter Einwirkung einer Anpresskraft, welche durch auf den Bolzen unter Vorspannung einwirkende Tellerfederpakete erzeugten wird. Die Anpresskraft ist mittels auf den Bolzen vorgesehener Muttern einstellbar. Die Bohrungswandung des Innenrings wird durch einen Belag gebildet, der von in Umfangsrichtung erstreckenden Abschnitten gebildet ist, welche aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Reibungskoeffizienten bestehen. Werden Außen- und Innenring so weit relativ zueinander verdreht, dass die Bremsbacke einen der Abschnitte verlässt und auf einem der anderen Abschnitte gleitet, verändert sich der Drehwiderstand des Wälzlagers entsprechend dem Verhältnis der Reibungskoeffizienten der entsprechenden Abschnitte. Der Drehwinkelbereich in dem zum Beispiel ein niedriger Drehwiderstand gegeben ist, lässt sich durch die Größe des Winkelbereichs, über den sich der Abschnitt mit einem geringen Reibungskoeffizienten erstreckt, beeinflussen. Bei dieser Lösung erfolgt eine permanente Bremsung.
Die DE 37 25 972 C2 beinhaltet eine Wälzlager-Drehverbindung für die Maschinenhauslagerung von Windkraftanlagen mit einer die Drehschwingungen der Lagerung dämpfenden Bremseinrichtung. Der Bremsbelag ist unmittelbar an dem Außenring des Wälzlagers angeordnet und in Form eines Kreisringes ausgebildet, der sich über den gesamten Laufringumfang erstreckt. Die Bremsfläche ist direkt auf dem Innenring des Wälzlagers ausgebildet. Die Anpresskraft kann durch auf den Bremsbelag einwirkende Tellerfedern bzw. durch Einstellschrauben erzeugt werden. Die Einstellschrauben sind in einen der beiden Lagerringe eingeschraubt, welcher in diesem Fall mit einem Schlitz versehen federelastisch ausgebildet ist. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass zur Dämpfung der Drehschwingungen eine permanente Bremsung erfolgt. Die Drehwerksantriebe der Windkraftanlage müssen daher entsprechend groß dimensioniert werden, damit sie neben den aerodynamischen Giermomenten auch das permanente Bremsmoment überwinden können.
Aus der DE 100 12 773 A1 ist eine Drehverbindung für die Maschinenhauslagerung einer Windenergieanlage mit einer in die Drehverbindung integrierten Bremseinrichtung bekannt. Die Drehverbindung kann ein Wälzlager oder ein Gleitlager umfassen. Die Bremseinrichtung weist mindestens ein Bremsorgan auf, welches zur Durchführung einer Bremsung mit geregeltem Bremsmoment durch hydraulische Druckbeaufschlagung betätigbar ist. Auf diese Weise kann das Bremsmoment entsprechend den jeweiligen Erfordernissen verändert und eingestellt werden. Problematisch bei dieser Lösung ist, dass bei Störungen im hydraulischen System keine Bremswirkung mehr realisierbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte Steuervorrichtung für das Reibmoment eines Lagers zur Verfügung zu stellen, welche preiswert und ohne großen Aufwand zu realisieren ist und sich gleichzeitig durch einen geringen Platzbedarf auszeichnet.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass im Bedarfsfall die Beeinflussung des Lagerreibmoments aufgehoben werden kann, d. h. zur normalen Lagerfunktion zurückgekehrt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Vorrichtung gemäß beigefügtem Anspruch 1. Diese Vorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie in das Lager selbst eingebaut ist.
Als bevorzugte Bauformen werden mehrere alternative Steuervorrichtungen gemäß den beigefügten Ansprüchen 3, 7, 9 und 11 zur Verfügung gestellt, wobei die nach den Ansprüchen 3, 7 und 9 vorgeschlagenen Bauformen in ein Wälzlager eingebaut sind und die nach dem Anspruch 11 vorgeschlagene Bauform in ein Magnetlager eingebaut ist.
Die Erfindung beruht generell darauf, dass durch geeignete Stellelemente die Reibung (Wälzreibung, Gleitreibung, Flüssigkeitsreibung) innerhalb des Lagers gezielt erhöht werden kann. Dazu lässt sich beispielsweise der den Wälzkörpern in einem Wälzlager zur Verfügung stehende Laufraum einschränken, so dass die erhöhten Reibungskräfte die Leichtgängigkeit der Wälzkörper reduzieren. Ebenso kann der Käfig eines Wälzlagers gebremst werden oder die Strömungsmöglichkeiten des verwendeten Schmiermittels werden eingeschränkt. Nachfolgend werden Beispiele derartiger reibungserhöhender Stellelemente genannt, wobei der Schutzbereich der Erfindung nicht auf die genannten Beispiele eingeschränkt werden soll.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform ist in ein Wälzlager eingebaut, welches einen Außenring, einen Innenring und einen zwischen Außen- und Innenring angeordneten Wälzlagerkäfig mit mindestens einem Seitenring zur Aufnahme der Wälzkörper aufweist. Bei dieser Ausführungsform ist an dem Seitenring des Wälzlagerkäfigs eine Bremsscheibe befestigt und am Außenring des Wälzlagers ein entsprechender Bremsbelag angeordnet. Die auf diese Weise realisierte Bremsfunktion lässt sich ohne großen Montageaufwand in ein herkömmliches Wälzlager integrieren.
Von Vorteil ist es, wenn die auf den Bremsbelag einwirkende Kraft einstellbar ist. Zur Voreinstellung der auf die Bremsscheibe über den Bremsbelag einwirkenden Kraft kommt vorzugsweise eine Aufdrehscheibe mit einer Tellerfeder zum Einsatz. Nach einer weitergebildeten Ausführung ist es zweckmäßig, wenn die Aufdrehscheibe auf ein am Außenring angebrachtes Außengewinde aufschraubbar ist. Je nach dem wie weit die Aufdrehscheibe auf das Außengewinde aufgeschraubt ist, kann auf die Bremsscheibe über den Bremsbelag eine hohe bzw. keine Kraft ausgeübt werden. Dadurch kann auf einfache Weise zwischen den Funktionen eines konventionellen Wälzlagers und eines Wälzlagers mit stark angezogener Bremse variiert werden. Die Positionierung der Aufdrehscheibe kann manuell oder auch motorgetrieben erfolgen, wenn häufige und/oder schnelle Änderungen der Bremskraft gewünscht sind.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst bei einer abgewandelten Ausführung ein in der Laufbahn des Wälzlagers angeordnetes aufblasbares Bauteil. Diese Ausführung lässt sich besonders einfach realisieren und ist gleichzeitig auch sehr preiswert. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Höhe des aufblasbaren Bauteils einstellbar ist. Hierzu steht das aufblasbare Bauteil vorzugsweise mit einer Aufpumpvorrichtung, beispielsweise in Form einer Luftpumpe, in Verbindung. Durch Veränderung der Höhe des aufblasbaren Bauteils erfolgt die Steuerung des Reibmoments. Das aufblasbare Bauteil kann abgewandelt werden, indem eine Hydraulik Verwendung findet, die beispielsweise Öl in dieses Bauteil einpumpt, um dessen in die Laufbahn der Wälzkörper hineinragenden Querschnitt zu verändern.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst bei einer nochmals abgewandelten Ausführung eine Durchflussregelung für den in das Wälzlager eingebrachten Schmierstoff. Die Durchflussregelung erfolgt vorzugsweise über eine in die Schmierstoffzuführung eingebrachte Blende. Auch diese Ausführung zeichnet sich durch einen geringen Montageaufwand auf.
Die bislang genannten Ausführungsformen werden bei Wälzlagern eingesetzt und lassen sich problemlos miteinander kombinieren.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in ein Magnetlager eingebaut und umfasst eine innerhalb des Magnetlagers angeordnete Spule. Über die Spule wird durch elektromagnetische Induktion das Reibmoment des Lagers gesteuert. Die Integration einer zusätzlichen Spule ist ohne großen Aufwand möglich. Von Vorteil ist es, wenn die induzierte Spannung in die Lageranordnung zurückgespeist wird. Auf diese Weise lassen sich Energieeinsparungen beim Betrieb des Lagers erreichen. Die induzierte Spannung kann jedoch auch über einen entsprechend dimensionierten Widerstand abgebaut werden.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 eine in ein Wälzlager eingebaute erste Bauform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ansicht von oben;
2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 1;
3 eine Detaildarstellung der Einzelheit Y aus 2;
4 eine Diagrammdarstellung der Abhängigkeit des Lagerreibmoments von der Einstellung einer bei der ersten Bauform verwendeten Aufdrehscheibe;
5 eine vereinfachte Darstellung einer in ein Wälzlager eingebauten zweiten Bauform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
6 eine vereinfachte Darstellung einer in ein Magnetlager eingebauten dritten Bauform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt eine in ein Wälzlager eingebaute erste Bauform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ansicht von oben. Die Erläuterung dieser Bauform erfolgt unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die 2 und 3. 2 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in ein Wälzlager eingebaut. Das Wälzlager besitzt einen Außenring 01, einen Innenring 02 und einen zwischen Außenring 01 und Innenring 02 angeordneten Wälzlagerkäfig 03 mit Wälzkörpern 04, welcher einen Seitenring aufweist. Die zur Steuerung des Lagerreibmoments dienende Vorrichtung umfasst eine Bremsscheibe 05 und einen Bremsbelag 06. Die Bremsscheibe 05 ist an dem Seitenring des Wälzlagerkäfigs 03 befestigt. Bei Wälzlagerkäfigausführungen mit zwei Seitenringen kann jeder der beiden Seitenringe des Wälzlagerkäfigs 03 eine Bremsscheibe 05 aufweisen. Der Bremsbelag 06 ist am Außenring 01 des Wälzlagers angeordnet. Er steht über Bolzen 07 mit einer Tellerfeder 08 und einer Aufdrehscheibe 09 mit dem Außenring 01 in Verbindung. Die Aufdrehscheibe 09 ist mit einem Gewinde versehen, welches in ein am Außenring 01 angebrachtes Außengewinde aufgeschraubt werden kann. Die über den Bremsbelag 06 auf die Bremsscheibe 05 einwirkende Kraft lässt sich durch Auf- bzw. Abdrehen der Aufdrehscheibe 09 einstellen. Je nachdem wie weit die Aufdrehscheibe 09 auf das Außengewinde aufgeschraubt ist, wird entweder keine bzw. eine starke Bremswirkung erreicht. Der Bremsbelag 06 kann von der Bremsscheibe 05 wegbewegt werden, so dass keine Anlage mehr besteht und somit keine Bremswirkung auf den Wälzlagerkäfig 03 ausgeübt wird.
Somit kann zwischen den Funktionen eines konventionellen, d. h. ungebremsten Wälzlagers und eines Wälzlagers mit stark angezogener Bremse variiert werden.
Ein Beispiel für die Abhängigkeit des Lagerreibmoments von der Stellung der Aufdrehscheibe 09 kann 4 entnommen werden. Das Lagerreibmoment kann beispielsweise zwischen 50 Ncm und 600 Ncm eingestellt werden. Um eine einfache Einstellung zu ermöglichen, kann am Außenring 01 eine Skala für das Lagerreibmoment und an der Aufdrehscheibe 09 eine Markierung angebracht sein. Bei aktivierter Bremsfunktion wird der Bremsbelag 06 gegen die Bremsscheibe 05 gedrückt. Dadurch wird der Wälzlagerkäfig 03 definiert abgebremst und bei den Wälzkörpern 04 ein definierter Schlupf eingestellt. Es kann dadurch im Vergleich zu herkömmlichen Wälzlagern in Abhängigkeit von der Krafteinwirkung am Wälzlagerkäfig 03 ein viel höheres Lagerreibmoment eingestellt werden.
5 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer in ein Wälzlager eingebauten zweiten Bauform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zur Steuerung des Lagerreibmoments dient bei dieser Ausführung ein aufblasbares Bauteil 10, welches in die Laufbahn des Wälzlagers eingebracht ist. Das aufblasbare Bauteil 10 kann beispielsweise in Form eines Schlauches ausgeführt sein. Im dargestellten Beispiel befindet sich das aufblasbare Bauteil 10 in einer in den Innenring 02 eingebrachten nutförmigen Kammer 11. Das aufblasbare Bauteil 10 kann sich natürlich auch in einer in den Außenring 01 eingebrachten gleichartigen Kammer befinden. Ebenso ist es denkbar, dass sowohl im Innenring als auch im Außenring Kammern mit aufblasbaren Bauteilen angeordnet sind. Die Höhe des aufblasbaren Bauteils 10 kann variiert werden. Hierzu ist das aufblasbare Bauteil 10 mit einer Aufpumpvorrichtung (nicht dargestellt), beispielsweise in Form einer Luftpumpe oder einer Hydraulikpumpe, verbunden. In der linken Abbildung der 5 ist der Zustand dargestellt, bei dem sich das aufblasbare Bauteil 10 vollständig innerhalb der Kammer 11 des Innenrings 02 befindet. In diesem Fall erfolgt keine Beein flussung des Lagerreibmoments. Im rechts dargestellten Zustand wurde die Höhe des aufblasbaren Bauteils 10 durch Aufpumpen verändert. Es ragt nun über die Kammer 11 hinaus in Richtung Wälzkörper 04 in die Laufbahn hinein und kann nun die Walkarbeit und somit auch die Rollreibung und das Lagerreibmoment beeinflussen. Das resultierende Lagerreibmoment kann abhängig von der jeweils vorliegenden Höhe des aufblasbaren Bauteils 10 definiert gesteuert werden.
Bei abgewandelten Ausführungsformen können anstelle des aufblasbaren Bauteils andere Elmente verwendet werden, welchen den Laufraum der Wälzkörper mehr oder weniger stark einschränken. Vorzugsweise sollten diese Elemente flächig in den Laufraum eingreifen, um die Gleichlaufeigenschaften des Wälzlagers nicht unnötig zu beeinträchtigen.
6 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer in ein Magnetlager eingebauten dritten Bauform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Magnetlager kann als passives oder als aktives Lager ausgeführt sein. Einzelheiten zum Lager selbst wurden in 6 nicht dargestellt. Innerhalb des Magnetlagers ist eine Spule 20 angeordnet über die durch elektromagnetische Induktion das Lagerreibmoment gesteuert wird. Im vorliegenden Beispiel befindet sich die Spule im Außenring 21 des Magnetlagers. Es sind jedoch auch Ausführungen möglich, bei denen die Spule 20 im Innenring 22 des Magnetlagers angeordnet ist. Die induzierte Spannung kann in das Magnetlager zurückgespeist werden. Bei aktiven Magnetlagern kann auf diese Weise ein Teil der zum Betrieb ständig benötigten Stromversorgung zur Verfügung gestellt und somit Energie eingespart werden. Die induzierte Spannung kann aber auch über einen entsprechend dimensionierten Widerstand 23 abgebaut werden.

01: Außenring des Wälzlagers
02: Innenring des Wälzlagers
03: Wälzlagerkäfig
04: Wälzkörper
05: Bremsscheibe
06: Bremsbelag
07: Bolzen
08: Tellerfeder
09: Aufdrehscheibe
10: aufblasbares Bauteil
11: Kammer
20: Spule
21: Außenring des Magnetlagers
22: Innenring des Magnetlagers
23: Widerstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 202004000287 U1 [0002]
- DE 3402522 A1 [0004]
- DE 3725972 C2 [0005]
- DE 10012773 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Steuerung des Reibmoments eines Lagers, dadurch gekennzeichnet, dass sie in das Lager eingebaut ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager ein Wälzlager ist, wobei das Wälzlager einen Außenring (01), einen Innenring (02) und zwischen Außenring (01) und Innenring (02) angeordnete Wälzkörper (04) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager einen Wälzlagerkäfig (03) zur Aufnahme der Wälzkörper (04) mit mindestens einem Seitenring umfasst, dass an dem Seitenring des Wälzlagerkäfigs (03) eine Bremsscheibe (05) befestigt ist, und dass am Außenring (01) des Wälzlagers ein Bremsbelag (06) angeordnet ist, der mit der Bremsscheibe in Reibkontakt bringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Bremsscheibe (05) einwirkende Kraft einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Voreinstellung der auf die Bremsscheibe (05) einwirkenden Kraft eine Aufdrehscheibe (09) mit einer Tellerfeder (08) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufdrehscheibe (09) auf ein am Außenring (01) angebrachtes Außengewinde aufschraubbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein in der Laufbahn des Wälzlagers angeordnetes querschnittserweiterbares Bauteil (10) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das querschnittserweiterbare Bauteil (10) in einer Kammer (11) des Innenrings (02) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der sich in die Laufbahn des Wälzlagers erstreckende Abschnitt des querschnittserweiterbaren Bauteils (10) durch Aufbalsen einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das querschnittserweiterbare Bauteil (10) mit einer Aufpumpvorrichtung in Verbindung steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Durchflussregelung für den in das Lager eingebrachten Schmierstoff umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussregelung über eine in die Schmierstoffzuführung angeordnete Blende erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager ein Magnetlager ist, und dass innerhalb des Magnetlagers eine Spule (20) angeordnet ist, über die durch elektromagnetische Induktion das Lagerreibmoment gesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (20) im Außenring (21) des Magnetlagers angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die induzierte Spannung in die Lagerstromversorgungsanordnung zurückgespeist wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die induzierte Spannung über einen elektrischen Lastwiderstand (23) abgebaut wird.