DE102017111745A1 - Wälzlageranordnung für ein Getriebe - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung (1) für ein Getriebe (2) einer Windkraftanlage, umfassend ein Wälzlager (3) mit einem Außenring (4), einem Innenring (5) und einer Vielzahl von zwischen Außenring (4) und Innenring (5) abrollender Wälzkörper (6), wobei der Außenring (4) und/oder der Innenring (5) mindestens ein Sensorelement (9) zur Erfassung und Überwachung einer Zustandsgröße aufweisen, wobei das mindestens eine Sensorelement (6) einen Kraftmessbolzen (7) mit mindestens einem Dehnungsmessstreifen (8) umfasst, wobei das mindestens eine Sensorelement (9) unmittelbar in einem Kraftflusspfad der Zustandsgröße positioniert ist, wobei die Zustandsgröße zumindest eine Lagervorspannung des Wälzlagers (3) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung für ein Getriebe, das insbesondere für eine Windkraftanlage vorgesehen ist, umfassend ein Wälzlager mit einem Außenring, einem Innenring und einer Vielzahl von zwischen Außenring und Innenring abrollender Wälzkörper, wobei der Außenring und/oder der Innenring mindestens ein Sensorelement zur Erfassung und Überwachung einer Zustandsgröße aufweisen. Die Erfindung betrifft ferner eine Windkraftanlage mit der zuvor genannten Wälzlageranordnung, sowie die Verwendung der Wälzlageranordnung in einer Windkraftanlage.
  • Bei Getrieben von Windkraftanlagen werden zur Zustandsüberwachung von Getriebeelementen Sensoren zur Messung unterschiedlicher Zustandsgrößen, wie beispielsweise Schwingungen, Temperaturen und Drehzahlen verwendet. Die Sensoren sind in der Regel an gut zugänglichen Stellen am Getriebegehäuse angebracht und mit Kabeln an einer Auswerteeinrichtung angeschlossen, in der die Signale weiterverarbeitet werden.
  • Aus der DE 10 2011 087 471 A1 ist ein Bauteil mit einer Materialausnehmung und einem Materialelement bekannt, das zumindest einen Sensor enthält. Das Materialelement ist in die Materialausnehmung kraftschlüssig eingepasst und schließt die Materialausnehmung wenigstens einseitig bündig ab. Der Sensor ist dazu vorgesehen, die auf das Bauteil wirkenden Kräfte und insbesondere die Verformungen des Bauteils zu messen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Wälzlageranordnung für ein Getriebe weiterzuentwickeln.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
  • Eine erfindungsgemäße Wälzlageranordnung für ein Getriebe einer Windkraftanlage umfasst ein Wälzlager mit einem Außenring, einem Innenring und einer Vielzahl von zwischen Außenring und Innenring abrollender Wälzkörper, wobei der Außenring und/oder der Innenring mindestens ein Sensorelement zur Erfassung und Überwachung einer Zustandsgröße aufweisen, wobei das mindestens eine Sensorelement einen Kraftmessbolzen mit mindestens einem Dehnungsmessstreifen umfasst, wobei das mindestens eine Sensorelement unmittelbar in einem Kraftflusspfad der Zustandsgröße positioniert ist, wobei die Zustandsgröße zumindest eine Lagervorspannung des Wälzlagers ist.
  • Der Kraftmessbolzen des Sensorelements wird bevorzugt mechanisch gefertigt und vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet. Der metallische Werkstoff weist insbesondere den gleichen Ausdehnungskoeffizient auf wie der Werkstoff des Innenrings und/oder des Außenrings. Mithin ist der metallische Werkstoff vorzugsweise ein Lagerstahl. Ferner ist der Kraftmessbolzen beispielsweise zylinderförmig ausgebildet, wobei auch alternative Geometrien denkbar sind. Der mindestens eine Dehnungsmessstreifen wird beispielsweise auf eine definierte Oberfläche des Kraftmessbolzens geklebt oder mittels einer Beschichtung aufgetragen, wobei der mindestens eine Dehnungsmessstreifen beispielsweise an einer Stirnfläche und/oder einer Seitenfläche des Kraftmessbolzens angeordnet ist. Durch einen an der Seitenfläche des Kraftmessbolzens angeordneten Dehnungsmessstreifen sind beispielsweise temperaturinduzierte Widerstandsänderungen messbar. Ein an der Stirnfläche des Kraftmessbolzens angeordneter Dehnungsmessstreifen kann beispielsweise dehnungsinduzierte Widerstandsänderungen infolge von Stauchung messen.
  • Die erfindungsgemäße Wälzlageranordnung kann alternativ auch für eine Hauptlagerung, insbesondere für eine Hauptlagerung einer Welle vorgesehen werden. Das Wälzlager ist insbesondere als Kegelrollenlager ausgebildet. Ferner kann das Wälzlager aber auch als Zylinderrollenlager oder anderes Wälzlager ausgebildet sein.
  • Durch permanentes oder intermittierendes Erfassen der Sensormesswerte der Kraftmessbolzen während des Betriebs können beispielsweise Rückschlüsse auf die aktuell vorliegende Vorspannung der Wälzlageranordnung gezogen werden. Mithin sind die Sensormesswerte der Kraftmessbolzen ein Maß für die Lagervorspannung. Die Lagervorspannung ist mitunter ein Einflussparameter für die Lebensdauer eines Wälzlagers. Beispielsweise kann eine Lebensdauerberechnung während des Betriebes des Lagers unter Einbeziehung der tatsächlich vorherrschenden Lagervorspannung durchgeführt werden und eine ständig aktualisierte Prognose über einen drohenden Lagerschaden erfolgen.
  • Der Begriff Kraftflusspfad beschreibt den Verlauf der in das Lagersystem der Wälzlageranordnung eingebrachten Vorspannkraft, die beispielsweise durch das Anziehen einer Schraube am Lagerring erzeugt wird. Die Vorspannkraft stützt am Gehäuse des Getriebes ab, wobei das mindestens eine Sensorelement an einem der vorgespannten Bauteile, wie beispielsweise dem Innenring, dem Außenring oder einem Anstellring radial angeordnet ist, um dehnungsinduzierte Widerstandsänderungen zu detektieren. Die Vorspannkraft kann sich ferner an der Umgebungskonstruktion der Wälzlageranordnung, beispielsweise einer Welle oder einem Lagergehäuse abstützen. Alternativ kann das Sensorelement an einem anderen vorgespannten Bauteil der Wälzlageranordnung angeordnet werden.
  • Vorzugsweise ist das mindestens eine Sensorelement zumindest teilweise in einer jeweiligen radialen Aussparung des Innenrings und/oder des Außenrings aufgenommen. Die Aussparung ist komplementär zur Geometrie des Kraftmessbolzens ausgebildet, sodass eine kraftschlüssige und formschlüssige Verbindung zwischen dem in die Aussparung eingebrachten Kraftmessbolzen und der Innenwandung der Aussparung gebildet wird. Alternativ kann der Kraftmessbolzen formschlüssig in die Aussparung eingeklebt werden.
  • Bevorzugt ist die jeweilige Aussparung an der Innenumfangsfläche des Innenrings ausgebildet. Vorteilhaft ist die vereinfachte Kabelführung des mindestens einen Dehnungsmessstreifens zu einer Signalverarbeitungsvorrichtung oder einem Empfänger zur Übermittlung der gemessenen Daten. Die Übermittlung kann sowohl kabelgebunden als auch kabellos erfolgen. Bei kabelloser Übermittlung kann die Energieversorgung des Dehnungsmessstreifens beispielsweise mittels wieder aufladbarer Batterie oder dem sogenannten Energy Harvesting erfolgen. Beispielsweise wird beim Energy Harvesting Energie aus Schwingungen, Luftströmungen, Rotationsenergie, Temperaturunterschiede oder Licht erzeugt. Alternativ kann die Energieversorgung auch induktiv oder kapazitiv erfolgen.
  • Des Weiteren bevorzugt sind drei Aussparungen mit einem jeweiligen darin aufgenommenen Sensorelement an einer Umfangsfläche des Innenrings und/oder des Außenrings gleichmäßig verteilt ausgebildet. Mit anderen Worten sind die Aussparungen mit einem jeweiligen darin aufgenommenen Sensorelement unter einem Winkel von 120° zueinander am Umfang des Innenrings und/oder des Außenrings gleichmäßig verteilt ausgebildet. Ferner ist es auch denkbar mehr oder weniger Sensorelemente an der Umfangsfläche des Innenrings und/oder des Außenrings gleichmäßig oder ungleichmäßig zu verteilen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Sensorelement an einem Anstellring angeordnet. Bevorzugt weist der Anstellring eine jeweilige radial ausgebildete Ausnehmung zur zumindest teilweisen Aufnahme des mindestens einen Sensorelements auf. Der Anstellring kommt axial am Wälzlager, insbesondere am Innenring oder am Außenring zur Anlage und kann zur Erzeugung einer Vorspannkraft verschraubt werden. Mit dem im Anstellring angeordneten Sensorelement lässt sich beispielsweise die Lagervorspannkraft messen und überwachen.
  • Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der mindestens eine Dehnungsmessstreifen durch eine Beschichtung ausgebildet ist. Insbesondere ist der Dehnungsmessstreifen als Dünnschichtsensor ausgebildet, der vorzugsweise durch eine zusätzlich auf den Dehnungsmessstreifen aufgebrachte Schutzschicht vor mechanischen Einwirkungen geschützt wird. Die Beschichtung zur Ausbildung des Dehnungsmessstreifens wird beispielsweise mittels Laser bearbeitet.
  • Bevorzugt weist der Außenring und/oder der Innenring mindestens zwei Sensorelemente zur Temperaturkompensation auf. Die Temperaturkompensation erfolgt direkt auf den Kraftmessbolzen. Beispielsweise kann durch die Anordnung der Dehnungsmessstreifen an der Stirnfläche und der Seitenfläche des Kraftmessbolzens und einer gemeinsamen Verschaltung der Dehnungsmessstreifen in einer Halbbrücke die durch den Temperatureinfluss hervorgerufene Störung ausgeschlossen werden.
  • Im Folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der drei Zeichnungen, in welcher gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Hierbei zeigt
    • 1 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines teilweise dargestellten Getriebes mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung und Überwachung eines Lagersystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 2 eine schematische Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements, und
    • 3 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines teilweise dargestellten Getriebes mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung und Überwachung eines Lagersystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • Gemäß 1 umfasst eine erfindungsgemäße Wälzlageranordnung 1 nach einer ersten Ausführungsform für ein Getriebe einer - hier nicht dargestellten - Windkraftanlage ein Wälzlager 3 mit einem Außenring 4, einem Innenring 5 und einer Vielzahl von zwischen Außenring 4 und Innenring 5 abrollender Wälzkörper 6. Der Innenring 5 weist ein Sensorelement 9 zur Erfassung und Überwachung einer Zustandsgröße auf. Das Sensorelement 9 ist unmittelbar in einem Kraftflusspfad der Zustandsgröße positioniert, wobei die Zustandsgröße eine Vorspannkraft des Innenrings 5 ist. Das Sensorelement 9 ist in einer radialen Aussparung 10 des Innenrings 5 aufgenommen, wobei die Aussparung 10 an der Innenumfangsfläche des Innenrings 5 ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend kann ein Sensorelement 9 auch an dem Außenring 4 des Wälzlagers 3 angeordnet sein, wobei das Sensorelement 9 die Vorspannung des Außenrings 4 erfasst.
  • Nach 2 umfasst das Sensorelement 9 einen Kraftmessbolzen 7 mit zwei Dehnungsmessstreifen 8. Die Dehnungsmessstreifen 8 sind Dünnschichtsensoren und als Beschichtung auf dem Kraftmessbolzen 7 ausgebildet. Der Kraftmessbolzen 7 ist zylinderförmig ausgebildet, wobei die in 1 dargestellte Aussparung 10 komplementär zum Kraftmessbolzen 7 ausgebildet ist. Einer der beiden Dehnungsmessstreifen 8 ist an einer Stirnfläche 13 des Kraftmessbolzens 7 angeordnet, wobei der andere Dehnungsmessstreifen 8 an einer Umfangsfläche 14 des Kraftmessbolzens 7 angeordnet.
  • In 3 ist eine zweite Ausführungsform der Wälzlageranordnung 1 dargestellt, wobei das Sensorelement 9 an einem Anstellring 11 angeordnet ist, und wobei das Sensorelement 9 radial in eine Ausnehmung 12 des Anstellrings 11 eingebracht ist. Der Anstellring 11 kommt axial an dem Innenring 5 des Wälzlagers 3 zur Anlage und wird mittels einer Schraube 15 axial vorgespannt. Alternativ kann das Sensorelement 9 genutzt werden, um eine Lagervorspannung im Wälzlager 3, insbesondere am Innenring 5 und/oder am Außenring 4 zu messen.
  • Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel. Weitere Ausführungsbeispiele oder Weiterbildungsmöglichkeiten gehen insbesondere aus den Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wälzlageranordnung
    2
    Getriebe
    3
    Wälzlager
    4
    Außenring
    5
    Innenring
    6
    Wälzkörper
    7
    Kraftmessbolzen
    8
    Dehnungsmessstreifen
    9
    Sensorelement
    10
    Aussparung
    11
    Anstellring
    12
    Ausnehmung
    13
    Stirnfläche
    14
    Umfangsfläche
    15
    Schraube
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011087471 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Wälzlageranordnung (1) für ein Getriebe (2) einer Windkraftanlage, umfassend ein Wälzlager (3) mit einem Außenring (4), einem Innenring (5) und einer Vielzahl von zwischen Außenring (4) und Innenring (5) abrollender Wälzkörper (6), wobei der Außenring (4) und/oder der Innenring (5) mindestens ein Sensorelement (9) zur Erfassung und Überwachung einer Zustandsgröße aufweisen, wobei das mindestens eine Sensorelement (6) einen Kraftmessbolzen (7) mit mindestens einem Dehnungsmessstreifen (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (9) unmittelbar in einem Kraftflusspfad der Zustandsgröße positioniert ist, wobei die Zustandsgröße zumindest eine Lagervorspannung des Wälzlagers (3) ist.
  2. Wälzlageranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (9) zumindest teilweise in einer jeweiligen radialen Aussparung (10) des Innenrings (5) und/oder des Außenrings (4) aufgenommen ist.
  3. Wälzlageranordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Aussparung (10) an der Innenumfangsfläche des Innenrings (5) ausgebildet ist.
  4. Wälzlageranordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass drei Aussparungen (10) mit einem jeweiligen darin aufgenommenen Sensorelement (9) an einer Umfangsfläche des Innenrings (5) und/oder des Außenrings (4) gleichmäßig verteilt ausgebildet sind.
  5. Wälzlageranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (9) an einem Anstellring (11) angeordnet ist
  6. Wälzlageranordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellring (11) eine jeweilige radial ausgebildete Ausnehmung (12) zur zumindest teilweisen Aufnahme des mindestens einen Sensorelements (9) aufweist.
  7. Wälzlageranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Dehnungsmessstreifen (8) durch eine Beschichtung ausgebildet ist.
  8. Wälzlageranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (4) und/oder der Innenring (5) mindestens zwei Sensorelemente (9) zur Temperaturkompensation aufweist.
  9. Windkraftanlage, umfassend eine Wälzlageranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Verwendung der Wälzlageranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Windkraftanlage.
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