DE10250340A1

DE10250340A1 - Als Wälzlager ausgebildetes Kraftmeßlager

Info

Publication number: DE10250340A1
Application number: DE10250340A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. Adler (FH); Manfred Dr. Ing. Kraus; Christoph Dr.-Ing. Löffel; Christoph Dr. Ing. Heynen; Rudolf Dipl.-Ing. Polster
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: DE10250340B4

Abstract

Ein als Wälzlager ausgebildetes Kraftmeßlager weist erfindungsgemäß ein Lagerbauteil aus Stahl, wie Laufring eines Radialwälzlagers bzw. Laufscheibe (10) eines Axialwälzlagers (8), auf, welches mit einem als Dickfilm (7) ausgebildeten Dehnungsmeßstreifen (5) versehen ist, der in einem gemeinsamen Arbeitsgang oder in getrennten Arbeitsgängen mit der Vergütungsbehandlung des Stahls auf das Stahlbauteil aufgebrannt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein als Wälzlager ausgebildetes Kraftmeßlager. Ein solches Lager soll es ermöglichen, überall dort, wo Wälzlager zum Einsatz kommen, beispielsweise im Automobil, in Maschinen oder Luftfahrzeugen, die am Lager auftretenden Kräfte zu messen. Mit der Erfindung soll eine Baugruppe geschaffen werden, welche die Kombination eines Wälzlagers mit einer Kraftmeßeinrichtung darstellt.
Bei Laufscheiben und Laufringen von Wälzlagern aus Stahl, welche zum Zweck der Laufbahnvergütung durch Lufthärten behandelt werden, besteht der Nachteil, daß als Kraftmeßeinrichtungen verwendete Dehnungsmeßstreifen einzeln angebracht werden müssen, was teuer ist. Für hohe Stückzahlen ist eine serientaugliche Vorgehensweise jedoch noch nicht gefunden worden.
Bekanntlich ist ein Dehnungsmeßstreifen ein Kleber für Feindehnungsmessungen, dessen wirksames Meßelement aus dünnem Widerstandsdraht besteht, der auf einem Träger aufgeklebt ist. Der Träger kann ein Papier- oder Kunststoffstreifen sein. Wird dieser Träger nun auf ein Versuchsstück aufgeklebt, so macht er die bei Belastung an der Meßstelle auftretenden Dehnungen oder Stauchungen mit, was zu einer elastischen Längung mit Querkontraktion oder Verkürzung mit Querstauchung des Widerstandsdrahtes und als Folge davon zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes führt. Die relative Widerstandsänderung ist der Dehnung proportional. Zur Ermittlung von Größe und Richtung der in einem Versuchsstück auftretenden größten Dehnung und damit der größten Spannung nutzt man mehrere versetzt angeordnete Dehnungsmeßstreifen, die die Dehnungen in mehreren Richtungen mißt, so daß aus diesen die Hauptdehnungen und Hauptspannungen ermittelt werden können.
Für die Messung der an Dehnungsmeßstreifen auftretenden Widerstandsänderungen werden Meßbrücken verwendet, in denen das Prinzip der Wheatstoneschen Brücke angewendet wird. Hierbei werden vier Widerstände mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden. Dabei ist es möglich, eine Vollbrückenschaltung oder eine Halbbrückenschaltung zu wählen. In der Halbbrückenschaltung werden nur zwei Dehnungsmeßstreifen zur Messung benutzt, die restlichen beiden Widerstände befinden sich in einem Meßbrückengerät. Bei diesen Schaltungen wird vor der Messung die Brücke abgeglichen, d.h. Nullstellung am Gerät herbeigeführt. Wird z. B. einer der Dehnungsmeßstreifen belastet, so tritt am Nullzweig eine elektrische Spannung auf, die am Meßinstrument bei entsprechender Eichung direkt als Dehnung abgelesen werden kann. Von den vier Dehnungsmeßstreifen können zwei als Aktivstreifen auf ein zu untersuchendes Bauteil geklebt werden, so daß sie gleichzeitig die durch eine biegende Kraft entstehende Biegespannung und die durch eine Zugkraft entstehende zusätzliche Zugspannung messen. Die beiden weiteren Dehnungsmeßstreifen sind als Blindstreifen keiner mechanischen Beanspruchung unterworfen, sie dienen der Temperaturkompensation und sind dazu möglichst nahe an die Aktivstreifen heranzubringen, damit sie denselben Temperatureinflüssen unterliegen.
Zusammenfassung der Erfindung
Bei einem als Wälzlager ausgebildeten Kraftmeßlager nach der vorliegenden Erfindung wird für ein Lagerbauteil aus Stahl, wie Laufring eines Radialwälzlagers bzw. Laufscheibe eines Axialwälzlagers, mit einem als Dickfilm ausgebildeten Dehnungsmeßstreifen versehen, der in einem gemeinsamen Arbeitsgang oder optional in getrennten Arbeitsgängen mit der Vergütungsbehandlung des Stahls auf das Stahlbauteil aufgebrannt ist. Auf diese Weise wird eine nicht lösbare Verbindung zwischen dem Lagerbauteil und dem Dickfilm geschaffen. Eine solche Zusammenfassung des Herstellungsprozesses ermöglicht eine kostengünstige Massenproduktion des mit dem Dehnungsmeßstreifen versehenen Lagerbauteils.
Das Lager kann als Radialwälzlager mit einem äußeren Laufring ausgebildet sein, wobei der Dehnungsmeßstreifen in einer Umfangsnut des Laufringes eingesetzt und befestigt ist. Ebenso kann das Lager auch als Axialwälzlager mit einer Laufscheibe ausgebildet sein, wobei der Dehnungsmeßstreifen an einer Stirnseite oder an der äußeren Umfangsfläche der Laufscheibe angelegt und befestigt ist.
In dem Dickfilm kann ein einzelner als Meßelement wirkender Widerstandsdraht eingebettet sein, dieser kann wellenlinienförmig oder mehrfach gewickelt angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, zwei etwa parallel verlaufende, als Meßelemente wirkende Widerstandsdrähte in dem Dickfilm einzubetten. Ein zweiter Widerstandsdraht kann als Temperaturkompensation wirken.
Die Laufscheibe mit dem Dehnungsmeßstreifen kann in einem topfförmigen Gehäuse eingesetzt sein, in welchem der Dehnungsmeßstreifen eingekapselt ist. Dabei kann die Laufscheibe an ihrem äußeren Umfang durch Form-, Reib- oder Stoffschluß in dem Gehäuse befestigt sein. Die Anordnung in einem topfförmigen Gehäuse dient der Verhinderung von Relativbewegungen zur Vermeidung von Verschleiß an der Isolations- bzw. Trägerschicht, welche den Dickfilm bildet.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Radialwälzlager mit einem Dehnungsmeßstreifen in einem Teil-Axialschnitt;
2 ein Axialwälzlager mit einem stirnseitig angebrachten Dehnungsmeßstreifen in einem Axialschnitt;
3 eine schematische Unteransicht des Lagers nach 2 mit zwei Widerstandsdrähten;
4 eine 3 entsprechende Ansicht eines Lagers mit einem einzigen, mehrfach gewickelten Widerstandsdraht, dieser kann als aktiver Widerstandsdraht bzw. als Temperaturkompensation wirken;
5 ein 2 entsprechender Axialschnitt eines Lagers mit einem umfangsseitig angebrachten Dehnungsmeßstreifen;
6 eine perspektivische Ansicht der Laufscheibe und des Dehnungsmeßstreifens inklusive einer Temperaturkompensation des Lagers nach 5;
7 ein topfförmiges Gehäuse, in welchem das in 2 dargestellte Lager angeordnet ist, in einem Axialschnitt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Ein in 1 dargestelltes Radialwälzlager 1 besteht aus einem inneren Laufring 2, einem äußeren Laufring 3 und dazwischen angeordnten, als Rollen ausgebildeten Wälzkörpern 4. In die Mantelfläche des äußeren Laufringes 3 ist eine umlaufende Nut eingearbeitet, in welcher ein Dehnungsmeßstreifen 5 eingelegt ist. Dieser besteht aus Widerstandsdrähten 6 und einem als Dickfilm 7 ausgebildeten Kunststoffband, in welchem die Widerstandsdrähte 6 eingebettet sind. Erfindungsgemäß bildet der äußere Laufring 3 ein Bauteil aus Stahl, an welchem der Dickfilm 7 mit den Widerstandsdrähten 6 während der Vergütungsbehandlung des Stahls in einem Arbeitsgang oder in zwei getrennten Arbeitsgängen durch Aufbrennen befestigt ist. Eine Dehnung des äußeren Laufringes 3 infolge einer Radialkraft F_R, die in dem Lager wirkt, kann mit dem Dehnungsmeßstreifen ermittelt werden.
Bei einem in 2 dargestellten Axialwälzlager 8 ist der gleiche Dehnungsmeßstreifen 5, der aus dem Dickfilm 7 und den darin eingebetteten Widerstandsdrähten 6 besteht, an der von den Wälzkörpern 9 des Axialwälzlagers 8 abgewandten Stirnseite einer Laufscheibe 10 kreisringförmig befestigt, wobei auch hier die Befestigung in einem Arbeitsgang oder in zwei getrennten Arbeitsgängen mit dem Vergüten der als Stahlbauteil ausgeführten Laufscheibe 10 erfolgt ist. Wie 3 zeigt, verlaufen die beiden Widerstandsdrähte 6, wovon einer ein Temperaturkompensations-Widerstandsdraht 6.1 sein kann, in dem Dickfilm 7 ungefähr kreisförmig parallel. 4 zeigt einen entsprechenden Dehnungsmeßstreifen 5, bei dem nur ein einziger Widerstandsdraht 6 mehrfach gewickelt in dem Dickfilm 7 angeordnet ist. Eine Axialkraft F, welche auf das Axialwälzlager 8 einwirkt und sich an den Wälzkörpern 9 in Teilkräfte F' aufteilt, bewirkt an der Laufscheibe 10 eine Dehnung, welche mit dem Dehnungsmeßstreifen 5 ermittelt werden kann.
Ein in den 5 und 6 dargestelltes Axialwälzlager 11 unterscheidet sich von dem Axialwälzlager 8 nach 2 dadurch, daß sein Dehnungsmeßstreifen 12 nicht an einer Stirnseite, sondern an der äußeren Umfangsfläche der Laufscheibe 10 angeordnet und befestigt ist. Hier ist in dem Dickfilm 13 des Dehnungsmeßstreifens 12 ein Widerstandsdraht eingebettet. Für die Temperaturkompensation kann auf dem Dickfilm 13 ein weiterer Widerstandsdraht befestigt werden.
Das in 2 dargestellte Axialwälzlager 8 ist bei der Ausführung nach 7 in ein topfförmiges Gehäuse 14 eingesetzt, wobei zwischen dem Gehäusemantel und dem äußeren Umfang 15 der Laufscheibe 10 eine Verbindung mit Form,- Reib- oder Stoffschluß hergestellt ist. Diese Anordnung dient der Verhinderung von Relativbewegungen zur Vermeidung von Verschleiß am Dickfilm 7 des Dehnungsmeßstreifens 5.

1: Radialwälzlager
2: innerer Laufring
3: äußerer Laufring
4: Wälzkörper
5: Dehnungsmeßstreifen
6: Widerstandsdraht (aktiv)
6.1: Widerstandsdraht (passiv)
7: Dichtfilm
8: Axialwälzlager
9: Wälzkörper
10: Laufscheibe
11: Axialwälzlager
12: Dehnungsmeßstreifen
13: Dickfilm
14: topfförmiges Gehäuse
15: Umfang
F_R: Radialkraft
F: Axialkraft
F': Teil-Axialkraft

Claims

Als Wälzlager ausgebildetes Kraftmeßlager, gekennzeichnet durch ein Lagerbauteil aus Stahl, wie Laufring (3) eines Radialwälzlagers (1) bzw. Laufscheibe (10) eines Axialwälzlagers (8, 11), welches mit einem als Dickfilm (7, 13) ausgebildeten Dehnungsmeßstreifen inklusive einer Temperaturkompensation versehen ist, der in einem gemeinsamen Arbeitsgang oder in getrennten Arbeitsgängen mit der Vergütungsbehandlung des Stahls auf das Stahlbauteil aufgebrannt ist.
Als Wälzlager ausgebildetes Kraftmeßlager, gekennzeichnet durch ein Lagerbauteil aus Stahl, wie Laufring (3) eines Radialwälzlagers (1) bzw. Laufscheibe (10) eines Axialwälzlagers (8, 11), welches mit einem als Dickfilm (7, 13) ausgebildeten Dehnungsmeßstreifen (5, 12) versehen ist, der in einem gemeinsamen Arbeitsgang mit der Vergütungsbehandlung des Stahls auf das Stahlbauteil aufgebrannt ist.
Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es als Radialwälzlager (1) mit einem äußeren Laufring (3) ausgebildet ist, wobei der Dehnungsmeßstreifen (5) in einer Umfangsnut des Laufringes (3) eingesetzt und befestigt ist.
Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es als Axialwälzlager (8) mit einer Laufscheibe (10) ausgebildet ist, wobei der Dehnungsmeßstreifen (5) an einer Stirnseite der Laufscheibe (10) angelegt und befestigt ist.
Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es als Axialwälzlager (11) mit einer Laufscheibe (10) ausgebildet ist, wobei der Dehnungsmeßstreifen (12) an der äußeren Umfangsfläche der Laufscheibe (10) angelegt und befestigt ist.
Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Dickfilm (7, 13) ein einzelner, als Meßelement wirkender Widerstandsdraht (6) eingebettet ist.
Lager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsdraht (6) in dem Dickfilm (13) wellenlinienförmig angeordnet ist.
Lager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsdraht (6) in dem Dickfilm (7) mehrfach gewickelt angeordnet ist.
Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Dickfilm (7) zwei etwa parallel verlaufende, als Meßelemente wirkende Widerstandsdrähte (6) eingebettet sind.
Lager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufscheibe (10) mit dem Dehnungsmeßstreifen (5) in einem topfförmigen Gehäuse (14) eingesetzt ist, in welchem der Dehnungsmeßstreifen (5) eingekapselt ist.
Lager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufscheibe (10) an ihrem äußeren Umfang durch Form-, Reib- oder Stoffschluß in dem Gehäuse (14) befestigt ist.