DE19917020C2 - Meßbuchse zur Erfassung von radialen Lagerkräften - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine als Zwischenbuchse ausgebildete Meßbuchse zur Ermittlung einer radialen Komponente der auf ein Gleit- oder Wälzlager einwirkenden Kraft welche aus, ineinander verschränkt, einem käfigförmigen, an den Enden durch Rinde abgeschlossenen Halter für das Gleit- oder Wälzlager, einem zylindrischen Befestigungsteil zur Befestigung der Meßbuchse im Lagergehäuse, mindestens zwei, Halter und Befestigungsteil verbindenden, axialen und in Form eines Schubfedersystems ausgebildeten Verformungselementen, sowie einem Distanzring besteht. Die Verformung der Verformungselemente ist ein Maß für die auf das Gleit- oder Wälzlager einwirkende radiale Kraft und wird durch Meßfühler in Form von Dehnungsmeßstreifen erfaßt, welche auf mindestens einem Verformungselement befestigt sind. Der Verformungsweg wird durch den Distanzring, welcher zwischen Halter und Befestigungsteil plaziert einen Spalt einstellt, der dem gewünschten größten Verformungsweg entspricht, in der Art begrenzt, daß sich bei einer zusätzlichen, über das gewünschte Maß hinaus reichenden Belastung der Halter gegen das Befestigungsteil abstützt und diese Zusatzbelastung so an den Verformungselementen vorbei geleitet wird.

Die Notwendigkeit, bei den verschiedensten technischen Prozessen zumindest eine Komponente der am Gleit- oder Wälzlager, im weiteren Lagerkörper genannt, auftretenden radialen Kraft zu ermitteln, ist bekannt. Demgegenüber steht eine Vielzahl an genormten Kombinationen von Lagerkörpern und zugehörigen, den unterschiedlichsten Aufgaben angepaßten, Lagergehäusen, im weiteren Lagerkombinationen genannt.

Der Wunsch des Maschinenbauers ist es, bei Bedarf, die vorhandenen Lagerkombinationen gegen Meßanordnungen auszutauschen. Dieser Austausch sollte möglichst ohne zusätzlichen Aufwand realisierbar sein. Gleichzeitig werden hohe Anforderungen an Meßgenauigkeit, Steifigkeit sowie Haltbarkeit der Meßanordnung gestellt. Grundsätzlich sind verschiedene Arten von Meßanordnungen zu unterscheiden, nämlich solch wo

• a) auf universellen Kraftsensoren Lagerkombinationen befestigt sind (DE 25 21 699; Produktübersicht 07.97, Typ BZH, Fa.: HAEHNE Elektronische Meßgeräte GmbH Deutschland; Datenblatt UMGZ, Fa.: FMS Force Measuring Systems AG Schweiz; Faltblatt Messung und Regelung von Kräften Drehmomenten, Typ Bull. 85/K, Fa.: A.S.A. Automazione s. a. s. Italy),
• b) Meßkörper so ausgebildet sind, daß deren Befestigungsteile, welche zur Verankerung der Meßkörper an Maschinenwänden oder ähnlichem dienen, über axial angeordnete Verformungselemente mit Halterungen für die Lagerkörper verbunden sind (DE 38 22 486; DE 43 12 843),
  • 1. Meßkörper der Art b) so gestaltet sind, daß die Befestigungsteile Aufnahme in speziellen Lagergehäusen finden (DE 24 52 925; DE 27 43 813; DE 41 10 429; DE 43 12 843),
• c) Meßringe in Form von Scheiben, welche zentrisch mit Lagersitzen zur Aufnahme der Lagerkörper versehen sind und in Umfangsrichtung auf der Stirnseite verlaufende Schlitze besitzen, welche wiederum die Verformungselemente bilden und, um die Lagersitze herum, die Halterungen der Lagerkörper freistellen, wobei die Meßringe selbst im Außenteil Einrichtungen zur flanschförmigen Befestigung aufweisen, oder selbige in, zur Befestigung ausgebildeten, separaten Flanschringen gehalten werden (DE 27 16 024; DE 27 18 925; DE 27 29 699; DE 27 33 569; DE 28 51 048; DE 29 30 520; DE 30 09 454; DE 33 36 727; DE 36 03 187; DE 41 08 555; DE 43 13 862; DE 195 11 110),
  • 1. Meßringe der Art c) so gestaltet sind, daß an Stelle zentrischer Lagersitze in freigestellten Haltekörpern Einrichtungen zur Befestigung von Lagerkombinationen vorhanden sind (DE 43 13 862).

Als Maß für die auf den Lagerkörper wirkende Kraft wird die Verformung der Verformungselemente herangezogen, welche über geeignete Meßglieder, wie zum Beispiel Dehnungsmeßstreifen, kurz DMS, erfaßt wird. Die Meßgenauigkeit ist vor allem von der genauen Plazierung und Klebung der DMS auf den Verformungselementen abhängig. Dazu sind die Verformungselemente gut zugänglich zu machen.

Der wesentliche Nachteil, der allen zitierten Vorschlägen gleichermaßen anhaftet, ist der zu Lagekombinationen mit gleicher Aufgabenstellung stark abweichende und wesentlich erhöhte Platzbedarf, sowie daraus resultierende abweichende Anschlußmaße.

Für einen Austausch sind daher oft große bauliche Änderungen erforderlich. In vielen Fällen muß auf kleinere Lagerkörper zurückgegriffen werden, was zumeist auf Kosten der Lebensdauer geht.

Eine Anzahl der zitierten Vorschläge verbessert die Haltbarkeit der Meßanordnung durch mechanische Blockaden der Verformungswege über das gewünschte Maß hinaus. Realisierung findet dieser Ansatz durch die Abstützung der Halterungen der Lagerkörper gegen die die jeweiligen Befestigungsmöglichkeiten beinhaltenden Elemente, nach Art b1) gegen die speziellen Lagergehäuse, nach Art c) gegen die Meßringaußenteile oder die separaten Flanschringe. Als nachteilig für die Herstellung solcher Meßanordnungen wird empfunden, daß diese wichtige Funktion auf zwei Konstruktionselemente verteilt ist, welche zur Reduzierung des Fertigungsaufwandes einer Variantenkonstruktion voneinander weitestgehend unabhängig seien sollten. Oft ist die Justierung problematisch, oder die Blockaden wirken auf Grund zu geringer Kontaktflächen unvollkommen.

Vor allem Meßanordnungen der Art a) und c1) haben als zusätzlichen Nachteil große Massen vor den Verformungselementen gemein, welche bei gleichen Meßbereichen die Eigenfrequenzen der Meßanordnungen erheblich absenken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine als Zwischenbuchse ausgebildete Meßbuchse zu schaffen, mit deren Hilfe Meßanordnungen gebildet werden können, die vorgegebene Lagerkombinationen unter Beibehaltung der Lagerkörper und aller wichtigen Anschlußmaße ersetzen, und im wesentlichen mit demselben Bauraum auskommen, wobei die Meßbuchse selbst mit einer mechanischen Begrenzung der Verformungswege ausgestattet ist.

Die gestellte Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß ist der Halter als Käfig ausgebildet, welcher an den Enden von durchgängigen Ringen abgeschlossen wird. Diese Ausformung trägt wesentlich zur notwendigen Festigkeit des Halters bei. Die Funktionselemente Halter, Verformungselemente und Befestigungsteil sind ineinander verschränkt ausgeführt. Diese Anordnung bietet den Vorteil eines äußerst geringen Platzbedarfes. Eine weitere Verringerung des Platzbedarfes wird durch die Fertigung von Halter Verformungselementen und Befestigungsteil als einstückige Einheit, dem Grundkörper, erreicht, da zusätzliche Verbindungselemente entfallen. Ebenso entfällt der Fertigungsaufwand für Passungen, welcher bei der Verwendung von Verbindungselementen nötig würde.

Der Verformungsweg wird auf einen ringförmigen Spalt begrenzt, welcher durch den separaten Distanzring leicht einzustellen ist. Bei Erreichen der Grenzmeßkraft ist der Spalt geschlossen und der Halter wird über den Distanzring großflächig auf dem Befestigungsteil abgestützt. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Einrichtung liegt in einer wesentlich erhöhten Haltbarkeit durch die Verhinderung einer Überlastung der Verformungselemente. Ebenso vorteilhaft ist, daß der Überlastschutz vollständig in die Meßbuchse integriert ist und keiner weiteren Maßnahmen von außen bedarf.

Letztlich ermöglicht die kompakte Form der Meßbuchse in der Regel die Verwendung von aufgebohrten, genormten Lagergehäusen. In wenigen Fällen ist die Verwendung von leicht modifizierten Lagergehäusen nötig, vorallem dann, wenn bei Beibehaltung der Anschlußmaße das Befetigungsteil nicht vollständig im genormten Gehäuse untergebracht werden kann. Es sei aber ausdrücklich darauf verwiesen, daß diese Modifikationen sich kaum auf den benötigten Bauraum auswirken, da sie sich im wesentlichen auf das Auffüllen von Schrägen am Lagergehäuse beschränken.

Ein weiterer zweckmäßiger Gesichtspunkt ist im Anspruch 2 enthalten. Es ist zwar festzuhalten, daß der Einsatz von in sich gekapselten und lebensdauergeschmierten Lagerkörpern auf Grund deren Wartungsfreundlichkeit im Vormarsch ist, dennoch werden häufig ungeschützte Lagerkörper eingesetzt. Ihr Vorteil liegt weniger im Preis als in den geringeren Reibungsverlusten. Lagerkörper dieser Art bedürfen aber eines separaten Schutzes gegen das Eindringen von Fremdstoffen und häufig auch einer Nachschmiermöglichkeit. Sollte das gewünschte Lagergehäuse diese Anforderungen nicht erfüllen, ist die Meßbuchse in der Lage, besagte Aufgaben zu übernehmen. So können auch neue Meßlagerkombinationen gebildet werden, welche keine Entsprechung bei genormten Lagekombinationen finden.

Anspruch 3 trägt den Anforderungen Rechnung, welche an eine Meßbuchse gestellt werden, wenn der vorhandene Bauraum nicht zum Setzen eines Lagergehäuses ausreicht. Der Maschinenbauer behilft sich in solchem Fall mit dünnwandigen Drehteilen, welche einen Bund oder Flansch aufweisen, mit deren Hilfe er die Lagerkörper direkt in Maschinenwände oder ähnlichem befestigt. In diesem Fall ist die Meßbuchse mit einem vergrößerten Bund versehen, welcher die Aufgaben des Flansches übernimmt. Die Meßleitungen sind zweckmäßigerweise an der Stirnseite des Bundes nach außen geführt. Der Befestigungssitz des Befestigungsteiles dient in dieser Ausführung nur zur radialen Fixierung der Meßbuchse.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung des Grundkörpers der erfindungsgemäßen Meßbuchse, welcher einer Bundbuchse mit Lagersitz ähnelt. Der Bund ist nicht zwingend erforderlich, erleichtert jedoch die Handhabung der Meßbuchse. Der Grundkörper bildet eine einstückige Einheit und besteht aus den Funktionselementen Halter 1, Verformungselemente 2a/2b und Befestigungsteil 3, welche durch die im weiteren beschriebenen Ausformungen gebildet werden.

Zumindest eines der Verformungselemente 2a/2b ist mit DMS 4 versehen, um die bei Belastung auftretende Verformung der Verformungselemente, als Maß für die Belastung, erfassen zu können.

Fig. 2 zeigt den Grundkörper in drei Ansichten, wobei die Ansichten von der Seite und von Oben als Halbschnitte dargestellt sind. Durch einen Absatz 10 im Mantel ist der Befestigungssitz des Befestigungsteiles 3 auf den Bereich am Bund beschränkt. Ein weiterer flächiger Absatz 11, innerhalb des ersten Absatzes 10, erzeugt die obere Kontur der Verformungselemente 2a/2b, und läßt sich zur Führung der Meßleitungen, hier nicht dargestellt, verwenden. Vorzugsweise wird der flächige Absatz durch Umfangsdrehen erzeugt. Es sind jedoch auch andere Bearbeitungen, vor allem zur abweichenden Ausformung der Verformungselemente, möglich.

Der Lagersitz im Halter 1 ist durch zwei axiale, vorzugsweise sich diametral gegenüberliegende und nicht durch den ganzen Grundkörper reichende Ausfräsungen 8a/8b unterbrochen. Diese bilden die untere Kontur der Verformungselemente 2a/2b und schaffen genügend Spielraum zum Lagerkörper, hier nicht dargestellt. Da die Ausfräsungen sich auf kleine Bereiche des Lagersitzes beschränken, ist ihr Einfluß auf die Befestigung des Lagerkörpers vernachlässigbar. An der Stirnseite des Bundes ist ein axialer Einstich 5 angebracht, der so tief ist, daß er Durchbrüche zu den Einfräsungen des Lagersitzes erzeugt.

Zur endgültigen Trennung der Funktionselemente sind Schlitze in den Grundkörper der Meßbuchse eingebracht. Je zwei axiale Schlitze 6a/6b und 6c/6d, welche vom flächigen Einstich bis in die Einfräsungen des Lagersitzes reichen, stellen die Verformungselemente seitlich frei. Zwei weitere Schlitze 7ac und 7bd, in Umfangsrichtung am Ende des verbliebenen Befestigungssitzes, verlaufen zwischen den jeweils äußeren axialen Schlitzen und verbinden diese, wobei die Schlitztiefe so gewählt ist, das sie bis in den stirnseitigen Einstich reicht. Geeignete Verfahren zur Erzeugung dieser Schlitze sind zum Beispiel Schneiden, Schleifen oder Erodieren.

Die hier beschriebene Bearbeitung erzeugt den Grundkörper, bestehend aus den nur an deren Enden der Verformungselemente verbundenen Funktionselemente Halter, Verformungselemente und Befestigungsteil, aus einem Stück.

Die Fig. 3, 4 und 5 demonstrieren die entstandene Verschränkung der Funktionselemente des Grundkörpers in verschiedenen Schnittebenen senkrecht zur Rotationsachse.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt in der Nähe des Bundes. Es sind das Befestigungsteil 3 und der hintere geschlossene Endring des Halters 1 zu erkennen, welche durch den axialen Einstich 5 auf der Stirnseite des Grundkörpers getrennt sind.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt hinter dem Ende des Befestigungsteiles 3, durch die am Umfang eingebrachten Schlitze. Zu erkennen sind die freigestellten und hier geschnittenen Verbindungen 9a/9b zwischen Befestigungsteil 3 und den Verformungselementen. Die Einfräsungen des Lagersitzes teilen den Halter 1 in zwei, hier ebenfalls geschnittene dargestellte, Schalen.

Fig. 5 ist ein Schnitt in Höhe der Verformungselemente 2a/2b. Zu sehen ist, wie die axialen Schlitze 6a/6b und 6c/6d die Verformungselemente seitlich freistellen und von den Schalen des Halters 1 trennen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Schnitte durch den Grundkörper 12 in der Ebene längs und quer zu den Verformungselementen. Hier soll die Begrenzung des Verformungsweges der Meßbuchse sowie das Zusammenspiel Meßbuchse Lagerkörper gezeigt werden. Zu diesem Zweck wurden die Schnitte um den erfindungsgemäßen Distanzring 13 und einen Lagerkörper 15 ergänzt.

Die Lagerkraft wird vom Lagerkörper 15 in den Halter 1 eingeleitet, die dieser an die Verformungselemente 2a/2b weitergibt. Die Verformungselemente ihrerseits geben die Kraft an das Befestigungsteil 3 weiter. Durch die Belastung werden die Verformungselemente verformt. Es kommt auf Grund des gewählten Schubfedersystem zu einer geringen radialen Verschiebung des Halters gegen das Befestigungsteil. Wärend dieser Verschiebung verringert sich einseitig der Spalt 14, welcher zwischen Halter und Befestigungsteil durch den Distanzring 13 gebildet wird. Bei größter gewünschter Belastung der Verformungselemente ist dieser Spalt gerade geschlossen. Steigt die Belastung über das gewünschte Maß hinaus, so wird die Überlast über den Kraftnebenschluß zwischen Halter und Befestigungsteil an den Verformungselementen vorbei geleitet. Die Verformungselemente sind vor Überlastung geschützt. Weitere Überlastsicherungen von außen sind nicht erforderlich.

Fig. 8 zeigt eine Meßanordnung der beschriebenen Art, die durch eine in ein aufgebohrtes Normlagergehäuse 16 eingesetzte Meßbuchse 18 sowie einen Lagerkörper 15 gebildet wird.

Letztlich verdeutlicht Fig. 9 eine ähnliche Meßanordnung wie Fig. 8 mit dem Unterschied, daß das Lagergehäuse 17 auf der Seite des Befestigungsteiles zur Beibehaltung der Anschlußmaße geringfügig modifiziert wurde.

In den Ausführungsbeispielen ist der Lagersitz im käfigförmigen Halter kugelförmig gewählt. Diese Form wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Meßbuchse in besonderer Weise unterstützt, ist aber nicht zwingend vorgegeben. Ebensogut sind andere Formen von Lagersitzen, wie Zylinder- oder Kegelsitze, möglich.

Die Meßbuchse kann aus allen zur Sensorherstellung üblichen Materialien gefertigt sein. Die Verwendung von Edelstahl ist jedoch auf Grund seiner guten Eigenschaften, wie hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, zu bevorzugen.

Bezeichnungsliste

1

Halter

2

Verformungselemente

3

Befestigungsteil

4

Dehnungsmeßstreifen, kurz DMS

5

Einstich

6

Axiale Schlitze

7

Schlitze in Umfangsrichtung

8

Ausfräsungen im Halter

9

Verbindung zwischen

2

und

3

10

Absatz

11

Flächiger Absatz

12

Grundkörper

13

Distanzring

14

Spalt

15

Lagerkörper

16

Aufgebohrtes Lagergehäuse

17

Modifiziertes Lagergehäuse

18

Meßbuchse

Claims (3)

1. Meßbuchse (18) zur Erfassung von radialen Lagerkräften, welche als Zwischenbuchse ein Gleit- oder Wälzlager (15) mit einem Lagergehäuse (16, 17) verbindet und aus einem Halter (1) für das Gleit- oder Wälzlager (15), einem Befestigungsteil (3) zur Befestigung der Meßbuchse (18) im Lagergehäuse (16, 17), sowie mindestens zwei, Halter (1) und Befestigungsteil (3) verbindende Verformungselementen (2), welche als Schubfedersystem in axialer Richtung angeordnet eine Verformung erfahren, die über Meßglieder in Form von Dehnungsmeßstreifen (4) erfaßt wird und ein Maß für die auf das Gleit- oder Wälzlager (15) einwirkende Radialkraft darstellt, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbuchse (18)

• a) einen käfigförmigen und an seinen Enden durch Ringe abgeschlossenen Halter (1), sowie
• b) ein zylindrisches Befestigungsteil (3) besitzt, daß
• c) Halter (1), Verformungselemente (2) und Befestigungsteil (3) ineinander verschränkt angeordnet und
• d) aus einem Stück gefertigt sind, und daß
• e) ein Distanzring (13) den Verformungsweg der Verformungselemente (2) auf ein gewünschtes Maß beschränkt, indem er zwischen Halter (1) und Befestigungsteil (3) plaziert einen Spalt (14) erzeugt, welcher dem Verformungsweg entspricht und eine darüber hinausgehende Belastung der Verformungselemente (2) durch Kraftschluß zwischen Halter (1) und Befestigungsteil (3) verhindert.

2. Meßbuchse (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußringe des Halters (1) mit Deckeln zum Schutz und/oder zur Befestigung der Gleit- oder Wälzlagers (15) versehen sind und daß zumindest ein Deckel eine Nachschmiermöglichkeit beinhalten kann.

3. Meßbuchse (18) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsteil (3) einen Bund mit Einrichtungen wie Bohrungen oder Gewindebohrungen zur lösbaren Befestigung an Maschinenwänden oder ähnlichem besitzt, sowie eine Durchführung für Meßleitungen aufweist.