DE19713688B4

DE19713688B4 - Wälzlager mit einer Wegmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE19713688B4
Application number: DE19713688A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. Jochum
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 1997-04-03
Filing date: 1997-04-03
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2017-04-04
Also published as: DE19713688A1

Abstract

Wälzlager mit einer Einrichtung zur Messung des von einem beweglichen Wälzlagerteil gegenüber einem festen Wälzlagerteil zurückgelegten Weges, welche einen Messbereich mit mindestens einem Sensor aufweist, der für die berührende oder berührungslose Abtastung eines der Lagerbauteile vorgesehen und an einem der Wälzlagerteile angeordnet ist, wobei der Sensor jeweils auf einen der tragenden Wälzkörper gerichtet ist, die sich zwischen dem festen Wälzlagerteil und dem beweglichen Wälzlagerteil befinden und während der Bewegung des beweglichen Wälzlagerteils an dem Sensor vorbeirollen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lastzone des Messbereichs mehrere Sensoren (10) integriert sind, die jeweils den gleichen Wälzkörper erfassen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einer Einrichtung zur Messung des von einem beweglichen Wälzlagerteil gegenüber einem festen Wälzlagerteil zurückgelegten Weges, welche einen Messbereich mit mindestens einem Sensor aufweist, der für die berührende oder berührungslose Abtastung eines der Lagerbauteile vorgesehen und an einem der Wälzlagerteile angeordnet ist, wobei der Sensor jeweils auf einen der tragenden Wälzkörper gerichtet ist, die sich zwischen dem festen Wälzlagerteil und dem beweglichen Wälzlagerteil befinden und während der Bewegung des beweglichen Wälzlagerteils an dem Sensor vorbeirollen.
Hintergrund der Erfindung
Ein solches Wälzlager mit einer Wegmesseinrichtung ist aus der internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 91/16594 bekannt. Dort ist das bewegliche, den Messbereich mit dem Sensor enthaltende Wälzlagerbauteil als Rollenumlaufeinheit und das feste Wälzlagerteil als Führungsschiene eines Linearrollenlagers ausgebildet, an welcher die Rollenumlaufeinheit über die als Rollen ausgebildeten tragenden Wälzkörper abgestützt ist. Dieses Lager benötigt eine Maßverkörperung an der Führungsschiene, die als optischer oder magnetischer Maßstab der Umwelt ausgesetzt ist, somit empfindlich gegen die Einwirkung von Schmutz ist und leicht beschädigt werden kann. Die erforderliche zusätzliche Bearbeitung der Führungsschiene zum Anbringen der Maßverkörperung ist teuer und macht die Schiene weicher, so dass bei Belas tung eine größere elastische Verformung auftritt. Der Messkopf an der als Führungswagen wirkenden Rollenumlaufeinheit muss besonders abgedichtet sein und die Maßverkörperung muss im Messkopfbereich so abgestreift werden, dass kein Schmutz wie Späne, Staub, Kühlmittel oder Schmierstoff die Messung beeinträchtigt.
Aus der Druckschrift DE-AS 22 18 047 ist ein Wälzlager mit einer Einrichtung zur Messung des von einem beweglichen Wälzlagerteil gegenüber einem festen Wälzlagerteil zurückgelegten Weges durch Messung der Drehzahl bekannt. Das bewegliche Wälzlagerteil ist ein umlaufender innerer Ring und das feste Wälzlagerteil ein fester äußerer Ring. Zwischen den Ringen befinden sich als tragende Wälzkörper Kugeln. An dem festen Wälzlagerteil ist eine Dichtung und an dieser als Sensor eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes und zum Fühlen der Veränderung des magnetischen Feldes angebracht. Bei der Drehung des inneren Ringes durchqueren die Kugeln das magnetische Feld, wobei in der Einrichtung Impulse erzeugt werden, die über eine Leitung zur Auswertung übertragen werden.
Die Druckschrift US 5 026 178 zeigt ein als Radialkugellager ausgebildetes Rotativlager der eingangs genannten Art, bei welchem zwei oder drei Hall-Effekt-Sensoren von einem ersten Hall-Effekt-Sensor in Abständen in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind, welche jeweils einem bestimmten Faktor des Abstandes zweier benachbarter Kugeln entspricht. Dabei ist in der Lastzone ein Sensor jeweils auf einen der tragenden Wälzkörper gerichtet.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager mit einer Wegmesseinrichtung zu schaffen, welches einen einfachen technischen Aufbau aufweist und gegenüber der Einwirkung von Schmutz unempfindlicher als bekannte derartige Wälzlager ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der Lastzone des Messbereichs mehrere Sensoren integriert sind, die jeweils den gleichen Wälzkörper erfassen. Auf diese Weise kann die Auflösung der Messung verbessert werden und man erhält zusätzlich eine Information über die Bewegungsrichtung.
Da bei Ausführung des Lagers als Linearwälzlager mit einer festen Führungsschiene und einem beweglichen Tragkörper die Wälzkörperbewegung in der Lastzone des Lagers in eindeutigem Zusammenhang mit der Bewegung des als Tragkörper wirkenden beweglichen Wälzlagerteils steht, kann aus der Wälzkörperbewegung auf die Tragkörperbewegung geschlossen werden. Wenn also die Wälzkörperbewegung erfasst wird, können die Maßverkörperung und die zusätzliche Abdichtung des Linearwälzlagers entfallen.
Es ist auch möglich, bei einem Wälzlager mit einer Wegmesseinrichtung den Messbereich an dem festen Wälzlagerteil anzuordnen. Beispielsweise kann das bewegliche Wälzlagerteil als Innenring und das feste, den Messbereich mit dem Sensor enthaltende Wälzlagerteil als Außenring eines Radialkugellagers ausgebildet sein, an welchem der Innenring über die als Kugeln ausgebildeten tragenden Wälzkörper abgestützt ist.
Mit geeigneten Sensoren wird die Stellung des jeweiligen Wälzkörpers erfaßt. Bei der Bewegung des Lagers läuft ein Wälzkörper an einem Sensor vorbei. Dieser gibt dabei ein sinusförmiges Signal ab, das durch eine Auswerteelektronik in einen Wert für die Tragkörper- bzw. Lagerringbewegung umgewandelt werden kann.
Der Meßbereich kann mehrere, beispielsweise drei auf die tragenden Wälzkörper gerichtete Sensoren enthalten. Werden mehrere Wälzkörper eines Wälzkörperumlaufs, z. B. in einem einreihigen Rillenkugellager, oder mehrere verschiedene Wälzkörperumläufe, z. B. in Profilschienenführungen, auf diese Weise erfaßt, so kann die Meßgenauigkeit wesentlich dadurch erhöht werden, daß mittels einer "intelligenten" Elektronik Fehler wie Teilkreisendspiel oder Schlupf erkannt und zusätzlich die verschiedenen Meßwerte interpoliert werden. Zur Messung der Sensorstellung kann ein kapazitives, ein induktives, ein berührendes Meßprinzip oder es können andere Meßprinzipien gewählt werden. Bei der Wahl geeigneter Miniatur-Sensoren können diese sogar in den Laufbahnen, z. B. im Einlaufbereich der Wälzkörper in Profilschienenführungen, untergebracht werden, ohne die Funktion und den Bauraum der Lager zu beeinflussen, die Serienlager sein können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darstellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen schematisch:
1 ein Linearrollenlager mit Sensoren in der Seitenansicht;
2 die Rollenumlaufeinheit des Lagers nach 1 in der Unteransicht;
3 den Verlauf der Signale über den Verfahrweg, die von den drei Sensoren des Lagers nach 1 geliefert werden;
4 ein als Radialkugellager ausgebildetes Rotativlager mit Sensoren in axialer Ansicht;
5 das Lager nach 4 in radialer Ansicht;
6 ein vorbekanntes Linearlager mit einer Wegmeßeinrichtung in stirnseitiger Ansicht;
7 das Lager nach 6 in der Seitenansicht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Bei einem Wälzlager mit einer Wegmeßeinrichtung nach dem Stand der Technik kann der zurückgelegte Weg bzw. Winkel des beweglichen Wälzlagerteils mit einem dort befestigten Meßkopf ermittelt werden, der an einer an dem festen Wälzlagerteil angeordneten Maßverkörperung entlangbewegt wird. Die 6 und 7 zeigen hierzu eine feste Führungsschiene 1 mit einem seitlich angebrachten Maßstab 2. An einem längs der Führungsschiene 1 verfahrbaren Führungswagen 3 ist ein Meßkopf 4 angebracht, der beim Verfahren des Führungswagens 3 längs der Führungsschiene 1 an dem Maßstab 2 entlangfährt. Der Maßstab 2 kann beispielsweise einen optischen Strichcode oder eine abschnittweise Magnetisierung tragen. Der Meßkopf 4 trägt eine Sensorik. Beim Überstreichen des Maßstabes 2 liefert der Meßkopf 4 ein Signal über den zurückgelegten Weg.
Derartige Meßverfahren sind relativ, d. h. die Maßverkörperung gibt keinen Aufschluß über die absolute Position sondern nur über den überfahrenen Weg bzw. bei einem Rotativlager über den Winkel. Will man eine absolute Position messen, so braucht man einen Referenzpunkt, der nach dem Einschalten einmal angefahren und als "Nullpunkt" definiert wird. Die Wegmessung erfolgt anschließend relativ zu diesem Punkt.
Das erfindungsgemäße wegmessende Wälzlager liefert ebenfalls relative Meßwerte. Der Bezugspunkt muß auch hier extern angefahren werden. Der Unterschied zum Stand der Technik liegt darin, daß in dem neuen Lager auf eine Maßverkörperung verzichtet wird. Die Information über den zurückgelegten Weg wird nämlich nicht aus der Relativbewegung Wagen-Schiene bzw. Innenring-Außenring gewonnen, sondern aus der Relativbewegung Wagen-Wälzkörper bzw. Ring-Wälzkörper.
Die 1 und 2 zeigen ein Linearrollenlager 5 mit einer Führungsschiene 6 und einer daran abgestützten Rollenumlaufeinheit 7. Diese enthält in einem Führungswagen 8 umlaufende Rollen 9 als Wälzkörper und drei in Verfahrrichtung der Führungsschiene 6 hintereinander angeordnete Sensoren 10, die innerhalb des Führungswagens 8 auf tragende Rollen 9 gerichtet sind.
In der Lastzone der Rollen 9 bewegen sich diese relativ zum Führungswagen 8 mit der halben Geschwindigkeit des Führungswagens. Diese Bewegung ist durch die feste Einspannung zwischen den Laufbahnen definiert und enthält somit eine Information über die Bewegung des Führungswagens 8. Wenn nun durch eine geeignete Sensorik die Wälzkörperstellung in dieser Lastzone erfaßt wird, kann daraus der zurückgelegte Weg des beweglichen Wälzlagerteils berechnet werden.
Die Sensoren 10 in dem skizzierten Rollenumlauf gemäß den 1 und 2 erfassen die Wälzkörperstellung. Für diese Messung sind optische, magnetische, induktive, kapazitive oder ohmsche Meßwertaufnehmer denkbar. Die Sensoren 11 tasten jeweils berührungslos die Mantelflächen der Rollen 9 ab und liefern ein Signal, wie es z. B. in 3 gezeigt ist. Kapazitive, induktive oder optische Sensoren können auf den Abstand zur Mantelfläche der jeweiligen Rolle 9 reagieren, andere optische Sensoren können die Ablenkung eines Lichtstrahls durch den Rollenmantel erfassen, ohmsche oder Piezo-Sensoren können die Materialverformung in Abhängigkeit von der Rollenstellung messen. Aus den gewonnenen Meßwerten läßt sich der zurückgelegte Weg unmittelbar berech nen. Die erfindungsgemäße Lösung, wonach in einer Lastzone mehrere Sensoren integriert sind, die jeweils den gleichen Wälzkörper erfassen, ist beispielsweise in den 1 und 2 skizziert.
Die 4 und 5 zeigen ein Rotativlager, in welchem Sensoren 10 in ähnlicher Weise integriert sind wie bei dem Linearrollenlager 5 nach 1 Dieses Lager ist als Radialkugellager 11 mit einem Innenring 12, einem Außenring 13 und dazwischen angeordneten Kugeln 14 als Wälzkörper ausgebildet. Drei Sensoren 10 sind in dem Außenring 13 befestigt und auf die vorbeirollenden Kugeln 14 gerichtet.
Enthält ein Lager mehrere Wälzkörperreihen, so kann man diese zusätzlich erfassen und die erhaltenen Werte miteinander verrechnen. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine Erkennung und Eliminierung von Messungenauigkeiten wie Schlupf oder Teilkreisendspiel. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit wesentlich erhöht werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen wegmessenden Wälzlagers besteht zum einen aus dem Wegfall einer Maßverkörperung und zum anderen aus der Möglichkeit, alle möglichen Sensorarten einzusetzen, beispielsweise kapazitive, induktive, optische, magnetische oder ohmsche Sensoren. Da bekanntlich vor allem die Integration einer Maßverkörperung in einer Führungsschiene oder einem Lagerring Nachteile wie ein Steifigkeitsverlust und eine problematische und teuere Fertigung zur Folge haben, – mit integriertem Maßstab ist ein Bearbeiten der Führungsschiene durch Stollen nicht möglich, – stellt das erfindungsgemäße wegmessende Wälzlager eine günstige, flexible und technisch einfach zu realisierende Alternative zu vorbekannten Wälzlagern dar.

1: Führungsschiene
2: Maßstab
3: Führungswagen
4: Meßkopf
5: Linearrollenlager
6: Führungsschiene
7: Rollenumlaufeinheit
8: Führungswagen
9: Rolle
10: Sensor
11: Radialkugellager
12: Innenring
13: Außenring
14: Kugel

Claims

Wälzlager mit einer Einrichtung zur Messung des von einem beweglichen Wälzlagerteil gegenüber einem festen Wälzlagerteil zurückgelegten Weges, welche einen Messbereich mit mindestens einem Sensor aufweist, der für die berührende oder berührungslose Abtastung eines der Lagerbauteile vorgesehen und an einem der Wälzlagerteile angeordnet ist, wobei der Sensor jeweils auf einen der tragenden Wälzkörper gerichtet ist, die sich zwischen dem festen Wälzlagerteil und dem beweglichen Wälzlagerteil befinden und während der Bewegung des beweglichen Wälzlagerteils an dem Sensor vorbeirollen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lastzone des Messbereichs mehrere Sensoren (10) integriert sind, die jeweils den gleichen Wälzkörper erfassen.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Wälzlagerteil den Messbereich mit den Sensoren (10) enthält und als Rollenumlaufeinheit (7), sowie das feste Wälzlagerteil als Führungsschiene (6) eines Linearrollenlagers (5) ausgebildet ist, an welcher die Rollenumlaufeinheit (7) über die als Rollen (9) ausgebildeten tragenden Wälzkörper abgestützt ist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Wälzlagerteil als Innenring (12) und das feste Wälzlagerteil als Außenring (13) eines Radialkugellagers (11) ausgebildet ist, an welchem der Innenring (12) über die als Kugeln (14) ausgebildeten tragenden Wälzkörper abgestützt ist, wobei das feste Wälzlagerteil den Messbereich mit den Sensoren (10) enthält.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sensor (10) zur Auswertung seiner Signale an einem elektronischen Rechner angeschlossen ist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich drei auf die tragenden Wälzkörper gerichtete Sensoren (10) enthält.