DE102011002633A1

DE102011002633A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102011002633A1
Application number: DE102011002633A
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Schweitzer
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2012-07-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (1), umfassend einen Innenring (2) und einen Außenring (3), wobei zwischen dem Innenring (2) und dem Außenring (3) mindestens eine Reihe Wälzkörper (4) angeordnet ist, wobei das Wälzlager (1) mindestens ein Generatorelement (5) zur Erzeugung elektrischer Energie umfasst. Um in einfacher und apparativ kostengünstiger Weise im Betrieb des Lagers elektrische Energie zu gewinnen, sieht die Erfindung vor, dass das Generatorelement (5) ein Piezoelement ist, das in einem Bereich des Innen- oder Außenrings (2, 3) platziert ist, der bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Wälzlagers (1) einer wechselnden Materialspannung infolge der Überrollung durch die Wälzkörper (4) unterworfen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, umfassend einen Innenring und einen Außenring, wobei zwischen dem Innenring und dem Außenring mindestens eine Reihe Wälzkörper angeordnet ist, wobei das Wälzlager mindestens ein Generatorelement zur Erzeugung elektrischer Energie umfasst.
Ein solches Wälzlager ist beispielsweise aus der DE 601 21 295 T2 bekannt. Um durch die Rotation des Lagers in gewissem Umfang eine elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen, ist das Lager mit einem integrierten Stromgenerator ausgestattet. Der Strom wird erzeugt, indem eine Kombination aus Permanentmagneten und Spulen eingesetzt wird.
Nachteilig ist bei einer solchen Lösung der relativ hohe apparative Aufwand der Lageranordnung, was entsprechende Kosten verursacht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Wälzlager so auszubilden, dass es möglich wird, in einfacherer und apparativ weniger aufwändiger Weise und somit kostengünstiger eine Möglichkeit zu schaffen, das Lager mit einer elektrischen Generatorfunktion zu versehen.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Generatorelement ein Piezoelement ist, das in einem Bereich des Innen- oder Außenrings platziert ist, der bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Wälzlagers einer wechselnden Materialspannung infolge der Überrollung durch die Wälzkörper unterworfen ist.
Das Piezoelement ist bevorzugt in einer Ausnehmung angeordnet, die in den Innen- oder Außenring eingearbeitet ist. Die Ausnehmung ist besonders bevorzugt eine Nut, insbesondere eine Ringnut, die in eine innen- oder außenzylindrische Fläche des Innen- oder Außenrings eingearbeitet ist, die der Laufbahn für die Wälzkörper gegenüberliegt. Die Ringnut kann im Radialschnitt eine rechteckförmige Kontur aufweisen.
Eine Fortbildung sieht vor, dass eine Anzahl von Piezoelementen um den Umfang des Innen- oder Außenrings herum angeordnet ist. Bewährt hat sich die Anordnung von vier Piezoelementen um den Umfang des Innen- oder Außenrings herum; die Piezoelemente sind dabei bevorzugt äquidistant um den Umfang des Innen- oder Außenrings herum angeordnet.
Das Piezoelement kann am Innen- oder Außenring festgeklebt oder festlötet sein.
Bei dem Lager handelt es sich bevorzugt um ein Rollenlager, insbesondere um ein Zylinderrollenlager.
Das zum Einsatz kommende Piezoelement ist ein Bauteil, das den sog. Piezoeffekt ausnutzt, um bei Einwirkung einer mechanischen Kraft eine elektrische Spannung zu erzeugen. Die Piezoelektrizität beschreibt die Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden. Durch die gerichtete Verformung eines piezoelektrischen Materials bilden sich mikroskopische Dipole innerhalb der Elementarzellen (Verschiebung der Ladungs-Schwerpunkte). Die Aufsummierung über das damit verbundene elektrische Feld in allen Elementarzellen des Kristalls führt zu einer makroskopisch messbaren elektrischen Spannung. Dabei bedeutet eine gerichtete Verformung, dass der angelegte Druck nicht von allen Seiten auf den Piezokristall wirkt, sondern beispielsweise nur von gegenüberliegenden Seiten aus.
Der Piezoeffekt kann nur in nichtleitenden Materialien auftreten. Weiterhin sind alle nichtleitenden ferroelektrischen Materialien bzw. Materialien mit permanentem elektrischen Dipol auch piezoelektrisch, beispielsweise Bariumtitanat und Blei-Zirkonat-Titanat (PZT).
Bei Kristallen ist die Kristallsymmetrie ein weiteres Kriterium für das Auftreten der Piezoelektrizität. Die piezoelektrische Polarisation tritt nicht auf, wenn der Kristall ein Inversionszentrum besitzt.
Das bekannteste Material mit Piezoeigenschaften ist Quarz (SiO₂). Technisch genutzte Materialien, die einen stärkeren Piezo-Effekt als Quarz zeigen, leiten sich oft von der sog. Perowskit-Struktur ab, z. B. Bariumtitanat (BaTiO₃).
Mit der vorgeschlagenen Lösung wird es in einfacher und kostengünstiger Weise möglich, in gewissem Umfang elektrische Energie aus der Rotation des Lagers bei seinem bestimmungsgemäßen Gebrauch zu gewinnen. Insoweit kann der insgesamt benötigte Energieverbrauch reduziert werden.
Die Erfindung nutzt den Effekt, dass es durch das Abrollen der Wälzkörper auf einem Lagerring zu elastischen Verformungen unterhalb der Laufbahnen der Wälzkörper kommt. Diese Verformungen, d. h. die periodischen mechanischen Dehnungen und Stauchungen, werden als Aktuatorkraft genutzt, um das Piezoelement zu verformen und zur Erzeugung von elektrischer Energie anzuregen.
Ein weiterer vorteilhafter Effekt ist, dass die Reibung im Lager reduziert werden kann. Die geringere Reibung wird dadurch erreicht, dass die Werkstoffdämpfung verringert wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 den Radialschnitt durch ein Zylinderrollenlager und
2 die Ansicht in radiale Richtung auf einen Teil des Lageraußenrings.
In 1 ist der Radialschnitt durch ein Wälzlager 1 in Form eines Zylinderrollenlagers dargestellt.
Das Lager 1 hat in bekannter Weise einen Innenring 2 und einen Außenring 3. Zwischen den Lagerringen 2, 3 sind Wälzkörper 4 in Form von Zylinderrollen angeordnet. Die Lagerringe 2, 3 haben für die Wälzkörper jeweilige Laufbahnen 7 und 9 am Außenring 3 bzw. am Innenring 2.
In 2 ist ein Teil des Außenrings 3 zu sehen, und zwar in radiale Richtung r (s. 1) betrachtet.
In den Außenumfang des Außenrings 3 ist eine Ringnut 6 eingearbeitet. Sie hat vorliegend, aber nicht zwingend, im Radialschnitt eine rechteckige Form. An vier Umfangsstellen des Außenrings 3 ist je ein Generatorelement 5 für elektrische Energie in Form eines Piezoelements fixiert. Das Piezoelement 5 kann dabei festgeklebt sein.
Das Piezoelement 5 ist mittels zweier Kabel 8 elektrisch mit einer nicht dargestellten Abgreifstelle für Elektrizität verbunden.
Wird das Lager 1 bestimmungsgemäß betrieben, d. h. rotiert der Innenring und der Außenring relativ zueinander, und wird das Lager mit einer radial wirkenden Lagerkraft beaufschlagt, wälzen die Wälzkörper 4 auf ihren Laufbahnen 7, 8 des Innen- bzw. Außenrings ab. Infolge dessen treten zeitvariante (insbesondere periodische) Mikroverformungen auf, d. h. das Material der Lagerringe 2, 3 wird unter den Laufbahnen 7, 9 zeitveränderlichen Spannungen, insbesondere Zug- bzw. Druckänderungen, ausgesetzt.
Diese zeitveränderliche Spannungsänderung hat entsprechende Verformungen der Lagerringe im Mikrobereich zur Folge, was insbesondere auch für die Materialbereiche gilt, an denen die Piezoelemente 5 fixiert sind. Demzufolge werden die Piezoelemente 5 beim Betrieb des Lagers entsprechenden Verformungen unterworfen. In der Folge wird eine elektrische Spannung erzeugt, die über die Kabel 8 abgeleitet werden kann.
Die so erzeugte (bzw. umgewandelte) elektrische Energie kann beispielsweise genutzt werden, um Stromverbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen, die nur einen geringen Energiebedarf haben.
Infrage kommen hier Elemente, die am oder im Lager benötigt bzw. gewünscht werden (z. B. spezielle Sensoren), und für die eine externe Energieversorgung problematisch bzw. aufwändig wäre. Dem Lager kann durch die Piezoelemente 5 vielmehr autark Energie zur Verfügung gestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager (Zylinderrollenlager)
2: Innenring
3: Außenring
4: Wälzkörper
5: Generatorelement (Piezoelement)
6: Ausnehmung (Ringnut)
7: Laufbahn
8: Kabel
9: Laufbahn
r: radiale Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 60121295 T2 [0002]

Claims

Wälzlager (1), umfassend einen Innenring (2) und einen Außenring (3), wobei zwischen dem Innenring (2) und dem Außenring (3) mindestens eine Reihe Wälzkörper (4) angeordnet ist, wobei das Wälzlager (1) mindestens ein Generatorelement (5) zur Erzeugung elektrischer Energie umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatorelement (5) ein Piezoelement ist, das in einem Bereich des Innen- oder Außenrings (2, 3) platziert ist, der bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Wälzlagers (1) einer wechselnden Materialspannung infolge der Überrollung durch die Wälzkörper (4) unterworfen ist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (5) in einer Ausnehmung (6) angeordnet ist, die in den Innen- oder Außenring (2, 3) eingearbeitet ist.
Wälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (6) eine Nut, insbesondere eine Ringnut, ist, die in eine innen- oder außenzylindrische Fläche des Innen- oder Außenrings (2, 3) eingearbeitet ist, die der Laufbahn (7) für die Wälzkörper (4) gegenüberliegt.
Wälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (6) im Radialschnitt eine rechteckförmige Kontur aufweist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Piezoelementen (5) um den Umfang des Innen- oder Außenrings (2, 3) herum angeordnet ist.
Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass vier Piezoelemente (5) um den Umfang des Innen- oder Außenrings (2, 3) herum angeordnet sind.
Wälzlager nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (5) äquidistant um den Umfang des Innen- oder Außenrings (2, 3) herum angeordnet sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (5) am Innen- oder Außenring (2, 3) festgeklebt ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (5) am Innen- oder Außenring (2, 3) festlötet ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Rollenlager, insbesondere ein Zylinderrollenlager ist.