DE102014223219A1

DE102014223219A1 - Lageranordnung mit einem Kraftsensor sowie Sensorwälzkörper für eine solche Lageranordnung

Info

Publication number: DE102014223219A1
Application number: DE102014223219.8A
Authority: DE
Inventors: Manfred Kraus
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2015-08-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, insbesondere ein Wälzlager, mit einer Innenlauffläche (01), einer Außenlauffläche (03) sowie mehreren zwischen Innen- und Außenlauffläche angeordneten Wälzkörpern (06). Mindestens ein Sensorwälzkörper (07) ist ebenfalls zwischen den Laufflächen (01, 03) angeordnet. Der Sensorwälzkörper (07) weist einen ferromagnetischen Materialbereich (12) auf, der eine Verformung erfährt, wenn eine von den Laufflächen (01, 03) ausgehende Kraft (13) auf den Sensorwälzkörper (07) einwirkt. Ein magnetoresistiver Sensor (08) ist angeordnet, um die Magnetfeldänderung zu detektieren, die bei Verformung des ferromagnetischen Materialbereichs (12) des Sensorwälzkörpers (07) auftritt. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Sensorwälzkörper (07) für eine solche Lageranordnung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung, welche eine Innenlauffläche, eine Außenlauffläche sowie mehrere zwischen diesen beiden Laufflächen angeordnete Wälzkörper umfasst. In typischen Fällen sind solche Lageranordnungen als rotatorische Wälzlager ausgebildet. Die Innenlauffläche ist dabei am äußeren Umfang eines Innenrings geformt, während die Außenlauffläche durch den Innenumfang eines Außenrings gebildet ist. In nicht rotatorischen Anwendungen können Lageranordnungen, auf welche die vorliegende Erfindung ebenfalls anwendbar sind, auch in linearer oder planarer Bauweise gestaltet sein. Beispielsweise sind Wellenführungen oder Schienenführungen bekannt, bei denen Wälzkörper zum Einsatz kommen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine derartige Lageranordnung, die mit einem Kraftsensor zur Erfassung auftretender Lagerkräfte ausgerüstet ist.
Um die Belastung, einen möglichen Verschleiß oder sogar eine bevorstehende Zerstörung eines Wälzlagers bestimmen zu können, ist es von Interesse, die im Lager auftretenden Kräfte während des Betriebs zu messen. Üblicherweise geschieht dies durch eine indirekte Messung der an angrenzenden Bauteilen auftretenden Kräfte, woraus unter Heranziehung von Erfahrungswerten auf die im Lager tatsächlich herrschenden Kräfte rückgeschlossen wird. Eine Kraftmessung unmittelbar im Lager ist üblicherweise nur unter Laborbedingungen möglich.
Aus der DE 60 2004 005 227 T2 sind ein Verfahren und eine Sensoranordnung zur Lastmessung an einem Wälzlager bekannt, durch welche während des Betriebs des Wälzlagers ein Lastvektor bestimmt werden kann. Dazu sind am Außenumfang des Außenrings des Wälzlagers eine Vielzahl von Sensoren angebracht, welche eine Verlagerung und/oder eine Dehnung am Material des Außenrings bestimmen. Eine solche Anordnung ist aufwendig und lässt sich in üblichen Einbauanordnungen nicht ohne Weiteres integrieren, da entsprechender Bauraum am Außenring erforderlich ist. Außerdem werden auch hier die im Lager tatsächlich auftretenden Kräfte nur indirekt über eine Verformung des Außenrings ermittelt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Lageranordnung bereitzustellen, die eine Kraftmessung innerhalb des Lagers gestattet, wobei diese Kraftmessung im laufenden Betrieb und ohne Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit der Lageranordnung möglich sein soll. Eine weitere Aufgabe wird darin gesehen, einen Sensorwälzkörper bereitzustellen, der für die Kraftmessung in einer entsprechenden Lageranordnung verwendbar ist.
Die genannte Aufgabe wird zunächst durch eine Lageranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Weiterhin wird durch die Erfindung für die Lösung der genannten Aufgabe ein Sensorwälzkörper gemäß dem beigefügten Anspruch 10 bereitgestellt.
Eine erfindungsgemäße Lageranordnung besitzt mindestens eine Innenlauffläche, eine Außenlauffläche sowie mehrere zwischen diesen beiden Laufflächen angeordnete Wälzkörper. Darüber hinaus ist mindestens ein Sensorwälzkörper vorgesehen, der ebenfalls zwischen den beiden Laufflächen angeordnet ist und bevorzugt einen oder mehrere der gewöhnlichen Wälzkörper der Lageranordnung ersetzt. Der Sensorwälzkörper weißt mindestens einen ferromagnetischen Materialbereich auf, der eine Verformung erfährt, wenn eine von den Laufflächen ausgehende Kraft auf den Sensorwälzkörper einwirkt. Der ferromagnetische Materialbereich ist dabei so dimensioniert, dass die Verformung zu einer messbaren Beeinflussung eines den Sensorwälzkörper umgebenden Magnetfeldes führt, wobei dieses Magnetfeld durch das natürliche Erdmagnetfeld oder durch ein gezielt erzeugtes Messmagnetfeld gebildet sein kann. Insbesondere kann ein magnetostriktives Material verwendet werden, welches bei Einwirkung einer Verformungskraft eine Magnetfeldänderung hervorruft, die wiederum bestimmbar ist. Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Lageranordnung mindestens einen magnetoresistiven Sensor, welcher die genannte Magnetfeldänderung detektiert, die bei der Verformung des ferromagnetischen / magnetostriktiven Materialbereichs des Sensorwälzkörpers auftritt.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lageranordnung besteht darin, dass ein modifizierter Wälzkörper, nämlich der Sensorwälzkörper, unmittelbar als Messelement fungiert und dadurch die direkt innerhalb des Lagers auftretenden Kräfte erfasst werden. Die vom Sensorwälzkörper erzeugte Messgröße wird unter Nutzung des gut beherrschbaren magnetischen Messprinzips an einen Sensor übertragen, welcher sich in unmittelbarer Nähe des Sensorwälzkörpers befindet, vorzugsweise am Innenring, am Außenring oder am Käfig eines Wälzlagers befestigt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der ferromagnetische Materialbereich des Sensorwälzkörpers aus einem magnetostriktivem Material gebildet. Damit stellt der Sensorwälzkörper einen magnetoelastischen Sensor dar, welcher die inverse Magnetostriktion nutzt, bei der eine Änderung der Magnetisierung durch Einprägen einer mechanischen Spannung, insbesondere einer Druckkraft hervorgerufen wird. Die damit veränderliche Magnetisierung des Sensorwälzkörpers selbst kann von dem zugehörigen Sensor der Lageranordnung ausgewertet werden, so dass das Messergebnis weitgehend unabhängig von der Änderung umliegender Magnetfelder wirkt bzw. entsprechend kalibriert werden kann.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist der Sensorwälzkörper als rotationssymmetrischer Körper bzw. kugelförmig, walzenförmig oder elliptisch im Längsschnitt ausgebildet. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Form des Sensorwälzkörpers derart gewählt ist, dass die Ausrichtung seiner Rotationsachse im Betrieb unveränderlich gegenüber den Laufflächen ist, wie dies beispielsweise bei einen Tonnenwälzkörper in einem ringförmigen Wälzlager der Fall ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die von den Laufflächen einwirkenden Kräfte mit der hervorgerufenen Verformung des Sensorwälzkörpers direkt korrelieren, so dass aus der auftretenden Änderung des Magnetfeldes unmittelbar auf die einwirkende Kraft rückgeschlossen werden kann. Die unveränderliche Ausrichtung der Lage der Rotationsachse des Sensorwälzkörpers gegenüber den Laufflächen und damit auch gegenüber dem Sensor kann aber auch durch andere konstruktive Maßnahmen erreicht werden, beispielsweise durch eine entsprechende Positionierung des Sensorwälzkörpers in einem Käfig.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Sensorwälzkörper aus einem Stahlgrundkörper, der eine Aussparung besitzt, die mit einem elastischen Material mit magnetostriktiven Eigenschaften befüllt ist. Die Aussparung ist so positioniert, dass die auf den Sensorwälzkörper einwirkende Kraft einerseits nicht zu einer dauerhaften Verformung des Stahlgrundkörpers führt, andererseits eine hinreichende Verformung des Materials mit magnetostriktiven Eigenschaften hervorruft. Insbesondere kann die Aussparung als Durchgangsbohrung gebildet sein, deren Achse senkrecht zur Rotationsachse des Sensorwälzkörpers verläuft.
Speziell bei einem kugelförmigen Sensorwälzkörper kann es vorteilhaft sein, wenn die Aussparung ebenfalls kugelförmig ist und sich im Zentrum des Sensorwälzkörpers befindet. Die Druckkräfte, welche das magnetostriktive Material in der Aussparung verformen, wirken dann immer in radialer Richtung, unabhängig von einer Verdrehung des Sensorwälzkörpers zwischen den Laufflächen.
Das magnetostriktive Material kann bei einer bevorzugten Ausführungsform partikelartig in das elastische Material eingeschlossen sein oder als Materialstreifen in ein Elastomer eingelegt werden. Bei der Auswahl des ferromagnetischen bzw. magnetostriktiven Materials, welches zu einer Magnetfeldänderung bei einer Kraftbelastung des Sensorwälzkörpers führen soll, ist von besonderer Bedeutung, dass die resultierenden magnetischen Eigenschaften des Sensorwälzkörpers signifikant von den magnetischen Eigenschaften der übrigen Wälzkörper unterscheidbar sind. Dies gilt insbesondere für Anwendungsfälle, bei denen in einem rotatorischen Aufbau der Sensorwälzkörper jeweils durch Umdrehung um die Lagerachse wiederkehrend am feststehenden Sensor vorbeigeführt wird. Hingegen ist eine solche Unterscheidung zwischen Sensorwälzkörper und gewöhnlichem Wälzkörper nicht oder nur weniger bedeutsam, wenn der Sensorwälzkörper in seiner Position unveränderlich gegenüber dem Sensor angeordnet ist, wie es beispielsweise bei Linearlagern der Fall sein kann.
Es ist zweckmäßig, wenn der magnetoresistive Sensor mit einer elektronischen Auswerteeinheit gekoppelt ist, vorzugsweise durch eine drahtlose Datenübertragungsstrecke. Wenn sowohl der Sensor als auch die Auswerteeinheit unbeweglich an der Lagerordnung positioniert sind, kann natürlich auch eine drahtgebundene Kopplung zwischen diesen beiden erfolgen. Geeignete Datenübertragungslösungen sind dem Fachmann bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung hier verzichtet werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt auch einen Sensorwälzkörper bereit, der für die Verwendung in einer zuvor beschriebenen Lageranordnung geeignet ist und sich dadurch auszeichnet, dass er einen ferromagnetischen bzw. magnetostriktiven Materialbereich aufweist, der eine Verformung erfährt, wenn eine Kraft auf den Sensorwälzkörper einwirkt.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer erfindungsgemäßen Lageranordnung in Form eines Wälzlagers;
2 eine Detailansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines Wälzlagers mit zylindrischen Wälzkörpern;
3 eine perspektivische Ansicht eines Kugellagers mit einem am Käfig befestigten Sensor;
4 eine Detailansicht einer veränderten Ausführungsform der Lageranordnung mit Wälzkörpern mit elliptischem Längsschnitt.
1 zeigt in einer Querschnittsansicht einen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Lageranordnung, die in dieser Ausführungsform als rotatorisches Wälzlager mit zwei parallelen Wälzkörperreihen gestaltet ist. Die Lageranordnung umfasst eine Innenlauffläche 01, die am Außenumfang eines Innenrings 02 verläuft, sowie eine Außenlauffläche 03, die am Innenumfang eines Außenrings 04 angeordnet ist. Zwischen dem Innenring 02 und dem Außenring 04 befinden sich in herkömmlicher Weise mehrere Wälzkörper 06. Mindestens einer der Wälzkörper der Lageranordnung ist ersetzt durch einen speziell ausgebildeten Sensorwälzkörper 07. Weiterhin umfasst die Lageranordnung einen magnetoresistiven Sensor 08, der bei der hier gezeigten Ausführungsform am Außenring 04 befestigt ist, so dass sein Detektionsbereich den Sensorwälzkörper 07 erfasst, zumindest wenn dieser bei einer Rotation am Sensor 08 vorbei läuft.
2 zeigt im Querschnitt eine Detailansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Lageranordnung. Bei dieser Ausführungsform werden anstelle kugelförmiger Wälzkörper zylindrische Wälzkörper eingesetzt. Auch der Sensorwälzkörper 07a ist in dieser Ausführungsform im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt, so dass er in seiner Formgebung den übrigen Wälzkörpern entspricht. Der magnetoresistive Sensor 08 ist unverändert am Außenring 04 befestigt und der zylindrische Sensorwälzkörper 07a durchläuft während des Betriebs pro Umdrehung des Wälzlagers einmal den Detektionsbereich des Sensors.
3 zeigt ein vollständiges rotatorisches Wälzlager in einer perspektivischen Ansicht. Die Abwandlung gegenüber den zuvor beschriebenen Ausführungsformen besteht vor allem darin, dass der magnetoresistive Sensor 08 nicht am Außenring 04 sondern an einem Käfig 09 befestig ist und mit dem Käfig bewegt wird. Der Abstand zwischen dem Sensorwälzkörper und dem Sensor ist damit im Betriebszustand immer konstant, sodass kontinuierlich Daten aufgezeichnet werden können. Damit lässt sich auch eine Kraftänderung im Bereich einer einzigen Umdrehung des Lagers detektieren. Die vom Sensor aufgezeichneten Daten werden in diesem Fall drahtlos an eine Auswerteeinheit (nicht dargestellt) übertragen, beispielsweise über die bekannten Protokolle der Telemetrie.
Eine mögliche Gestaltung des Sensorwälzkörpers ist aus der in 4 dargestellten Ausführungsform ersichtlich. Der Sensorwälzkörper 07b besteht in diesem Fall aus einem Stahlgrundkörper 11, in welchem zentral eine Durchgangsbohrung eingebracht ist. Innerhalb der Durchgangsbohrung befindet sich ein Elastomer 12 mit ferromagnetischen, insbesondere magnetostriktiven Eigenschaften. Das Elastomer kann beispielsweise magnetostriktive Materialstreifen einschließen oder entsprechend ausgerichtete magnetostriktive Partikel enthalten. Es ist weiterhin ersichtlich, dass der Sensorwälzkörper 07b in dieser Ausführungsform nicht als Kugel sondern mit einem elliptischen Längsschnitt geformt ist. Durch eine entsprechende Formgebung und Anordnung des ferromagnetischen Materials ist es möglich, die Auswirkungen einer typischen Druckkraftbelastung, die durch Pfeile 13 symbolisiert ist, auf den Sensorwälzkörper 07 hinsichtlich der gewünschten Verformung des ferromagnetischen Materials zu optimieren. Dies dient der Verbesserung des Messsignals, da der Sensorwälzkörper 07b insgesamt nur eine Verformung im Mikrometerbereich erfährt. Je nach Anwendungsfall verläuft die Längsachse des ferromagnetischen Materialbereichs somit bevorzugt senkrecht zur Rotationsachse des Sensorwälzkörpers.
Der Fachmann kann sowohl die Formgebung als auch die Position des ferromagnetischen Materialbereichs innerhalb des Sensorwälzkörpers an den entsprechenden Anwendungsfall anpassen.
Bezugszeichenliste

01: Innenlauffläche
02: Innenring
03: Außenlauffläche
04: Außenring
05
06: Wälzkörper
07, 07a, 07b: Sensorwälzkörper
08: magnetoresistiver Sensor
09: Käfig
10
11: Stahlgrundkörper
12: Elastomer mit ferromagnetischem / magnetostriktivem Material
13: Kraft

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 602004005227 T2 [0003]

Claims

Lageranordnung mit einer Innenlauffläche (01), einer Außenlauffläche (03) sowie mehreren zwischen Innen- und Außenlauffläche angeordneten Wälzkörpern (06), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensorwälzkörper (07) ebenfalls zwischen den Laufflächen (01, 03) angeordnet ist, wobei der Sensorwälzkörper (07) einen ferromagnetischen Materialbereich (12) aufweist, der eine Verformung erfährt, wenn eine von den Laufflächen (01, 03) ausgehende Kraft (13) auf den Sensorwälzkörper (07) einwirkt; und dass ein magnetoresistiver Sensor (08) angeordnet ist, welcher die Magnetfeldänderung detektiert, die bei Verformung des ferromagnetischen Materialbereichs (12) des Sensorwälzkörpers (07) auftritt.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Wälzlager ausgebildet ist, wobei die Innenlauffläche (01) am Außenumfang eines Innenrings (02) verläuft und die Außenlauffläche (03) am Innenumfang eines Außenrings (04), und wobei der mindestens eine Sensorwälzkörper (07) gemeinsam mit den weiteren Wälzkörpern (06) in einem Käfig (09) positioniert ist, der zwischen Innenring (02) und Außenring (04) angeordnet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetoresistive Sensor (08) am Innenring (02), am Außenring (04) oder am Käfig (09) befestigt ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorwälzkörper rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorwälzkörper (07) vollständig aus einem Material mit magnetostriktiven Eigenschaften oder aus einem Stahlgrundkörper besteht, der mindestens eine Aussparung besitzt, die mit einem elastischen Material (12) mit magnetostriktiven Eigenschaften befüllt ist.
Lageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetostriktive Material in das elastische Material (12) eingeschlossen ist und senkrecht zur Rotationsachse des Sensorwälzkörpers (07) streifenartig ausgerichtet ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die magnetischen Eigenschaften des Sensorwälzkörpers (07) signifikant von den magnetischen Eigenschaften der weiteren Wälzkörper (06) unterscheiden.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorwälzkörper (07) so geformt ist und/oder zwischen den Laufflächen (01, 03) positioniert ist, dass sich die Ausrichtung der Rotationsachse des Sensorwälzkörpers während seiner Bewegung relativ zum magnetoresistiven Sensor (08) nicht verändert.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetoresistive Sensor (08) mit einer elektronische Auswerteeinheit gekoppelt ist, die vorzugsweise unbeweglich an der Lageranordnung angebracht ist.
Sensorwälzkörper (07) zur Verwendung in einem Wälzlager oder in einer Lageranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er einen ferromagnetischen Materialbereich (12) aufweist, der eine Verformung erfährt, wenn eine Kraft (13) auf den Sensorwälzkörper einwirkt.