WO2004048913A1 - Kraftmesslager - Google Patents

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WO2004048913A1
WO2004048913A1 PCT/DE2003/003829 DE0303829W WO2004048913A1 WO 2004048913 A1 WO2004048913 A1 WO 2004048913A1 DE 0303829 W DE0303829 W DE 0303829W WO 2004048913 A1 WO2004048913 A1 WO 2004048913A1
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rolling
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ring
bearing
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Henri Van Der Knokke
Rainer Wunderlich
Karin Hauser
Roman Hollweck
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Fag Kugelfischer Ag
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0009—Force sensors associated with a bearing
    • G01L5/0019—Force sensors associated with a bearing by using strain gages, piezoelectric, piezo-resistive or other ohmic-resistance based sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/52—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions
    • F16C19/522—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions related to load on the bearing, e.g. bearings with load sensors or means to protect the bearing against overload
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58—Raceways; Race rings
    • F16C33/583—Details of specific parts of races
    • F16C33/586—Details of specific parts of races outside the space between the races, e.g. end faces or bore of inner ring
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/04—Bearings

Definitions

  • the invention relates to a rolling bearing with sensors arranged, with which the current load on the rolling bearing can be determined.
  • FIG. 10b of this document shows how, in the case of a tapered roller bearing, the force (material expansion) measured by the sensors is divided into radial forces and axial forces.
  • the problem with this solution is that to split the forces into radial and axial forces, the raceway angle must be constant.
  • the method described is not applicable to determine the axial or radial forces acting on the rolling bearing with sensors that are arranged opposite the raceways.
  • sensors eg strain gauge sensors
  • sensors are arranged on the outer diameter of the outer ring or on the inner diameter of the inner ring, which, depending on the axial position in the ring, under load (Hertz ' see pressure) by the rolling elements generate time signals of different lengths in the raceways of the rolling bearing.
  • the signals of different lengths are thereby testifies that the length of two adjacent conductor track sections of the strain gauge sensor lying in the circumferential direction varies.
  • the differently long time signals under load are therefore proportional to the contact angle of the rolling elements in the raceway of the rolling bearing rings.
  • the effect is used that, in the case of rolling bearings with curved raceways, the rolling elements move out of the raceway base with a combined radial-axial load and assume a new equilibrium position outside the raceway base.
  • the higher the axial load the further the rolling element moves out of the track base towards the side surface of the rolling bearing.
  • This also shifts the pressure ellipse between the rolling bearing ring and rolling element in the axial direction.
  • the pressure ellipse also leads to a change in length in the circumferential direction in the material of the rolling bearing ring.
  • the sensors which are of different widths in the axial direction, thus detect the change in length in the material - when the rolling element rolls through - of different lengths.
  • the length of the load on a sensor can be converted into radial and axial forces based on knowledge of the geometry of the rolling bearing.
  • the load duration of a sensor also depends on the speed of the rolling bearing, the speed is determined over the time interval that two adjacent rolling elements need to load a sensor.
  • the rolling element 1 shows a roller bearing with curved raceways (here a deep groove ball bearing).
  • the rolling element 1 is arranged between the two barrel rings 2 and 3.
  • the rolling element is located exactly in the middle position of the rolling bearing. When loaded, this rolling element moves in the axial direction to the side surface 2a or 2b of the rolling bearing, this depending on the direction of force of the axial forces.
  • the sensors 4 are arranged in a groove 5 on the outer ring 2.
  • the analog arrangement of the sensors 4 in a groove on the inner ring 3 is not shown.
  • FIGS. 2 to 5 show special sensor arrangements which are arranged in the groove 4 on the outer ring 2 and / or on the inner ring 3. In order to better recognize the arrangement of the sensors, the roller bearing rings are shown unwound.
  • the sensors 4 are shown here in the preferred embodiment of a strain gauge in a trapezoidal arrangement.
  • the conductor track sections of the strain gauge sensor 4a or 4b are of different lengths in the axial direction 6. It is immediately clear from this illustration that a rolling element which moves in the axial direction 6 out of the bottom of the raceway loads the sensors 4 for different lengths of time.
  • the length of the time signal of a sensor is therefore proportional to the angular position of the rolling element 1 in the rolling bearing rings 2 or 3. Since the sensors 4 are normally connected to Wheatstone bridges, the duration of the output signal of the Wheatstone bridge is therefore proportional to the contact angle of the rolling element 1 in the raceway of the rolling bearing rings 2 or 3.
  • a preferred embodiment here is the arrangement of the strain gauge sensors at a distance in the rolling bearing ring which corresponds to half the distance between two adjacent rolling elements.
  • FIG. 2b shows the output signals of the Wheatstone bridge in the event that the rolling element rolls under the strain gauge sensor in the region of the short conductor track sections 4a.
  • the position of the rolling elements rolling under the sensors is indicated by arrow 10.
  • the period 8a of the signals is correspondingly short.
  • 2c shows the output signals of the Wheatstone bridge in the event that the rolling element rolls under the strain gauge sensor in the region of the long conductor track sections.
  • the position of the rolling elements rolling under the sensors is indicated by arrow 11.
  • the period 8b of the signals is correspondingly long. With a known rotational speed of the rolling bearing, the period is therefore proportional to the angular position of the rolling elements in the raceway.
  • the angular position of the rolling elements in the raceway is determined by averaging the long and short period in the output signal of the Wheatstone bridge.
  • the output signal of the Wheatstone bridge is shown in FIG. 3a.
  • the alternating period 8c is marked.
  • the time interval between the loading of two adjacent sensors 4c, 4d is proportional to the angular position of the rolling element 1 in the raceways 2c, 3c of the rolling bearing rings 2 or 3.
  • FIGS. 4 and 5 differ by different orientations Conductor sections in the sensors (strain gauge sensors) 4c and 4d. The comparable case with the use of commercially available strain gauge sensors with a rectangular base area is not shown.
  • FIG. 6 shows a section of the rolling bearing ring with the sensors 4.
  • the rolling element 1 is drawn in different positions in the track.
  • the signal determined by sensor 4 (a sensor of the Wheatstone bridge) is shown below the section of the roller bearing ring.
  • the change in resistance ( ⁇ R / R) in sensor 4 is shown on the ordinate of the coordinate system and the time (t) is shown on the abscissa.
  • the different period 8 depending on the contact angle of the rolling elements in the raceway of the rolling bearing rings is clear in this illustration.
  • the level of signal 9 is proportional to the load on the roller bearing ring.

Abstract

Wälzlager mit gekrümmten Laufbahnen (2c, 3c) und dazwischen angeordneten Wälzkörpern (1) und DMS - Sensoren (4), die in einer Nut (5) am Aussendurchmesser des Aussenrings (2) und / oder am Innendurchmesser des Innenrings (3) angeordnet sind, wobei die Länge zweier benachbarter Leiterbahnabschnitte des DMS - Sensors variiert, um so die Winkellager der Wälzkörper zwischen den Laufbahnen zu erfassen.

Description

Kraftmesslager
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit angeordneten Sensoren, mit denen die aktuelle Belastung des Wälzlagers ermittelt werden kann.
In der US 5,952,578 sind solche Kraftmesslager beschrieben. In der Figur 10b dieser Schrift ist dargestellt, wie bei einem Kegelrollenlager, die von den Sensoren gemessene Kraft (Materialdehnung) in Radialkräfte und Axialkräfte aufgeteilt wird. Das Problem dieser Lösung besteht darin, dass zur Zerlegung der Kräfte in Radial- und Axialkräfte der Laufbahnwinkel konstant sein muss. Für Wälzlager mit gekrümmten Laufbahnen, wie z. B. Rillenkugellager ist das beschriebene Verfahren nicht anwendbar, um die auf das Wälzlager wirkenden Axial- oder Radialkräfte mit Sensoren, die gegenüber den Laufbahnen angeordnet sind, zu ermitteln.
Aufgabe der Erfindung
Es besteht also die Aufgabe, eine Sensoranordnung für Wälzlager mit gekrümmten Laufbahnen aufzuzeigen, bei denen sich die gemessenen Kräfte eindeutig in Axial- und Radialkräfte zerlegen lassen.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass Sensoren (z. B. DMS - Sensoren) am Außendurchmesser des Außenringes bzw. am Innendurchmesser des Innenringes angeordnet werden, die bei Belastung (Hertz 'sehe Pressung) der Ringe durch die Wälzkörper je nach axialer Lage in den Laufbahnen des Wälzlagers unterschiedlich lange Zeitsignale erzeugen. Die unterschiedlich langen Signale werden dadurch er- zeugt, dass die Länge zweier benachbarter in Umfangsrichtung liegender Leiterbahnabschnitte des DMS - Sensors variiert. Die unterschiedlich langen Zeitsignale bei Belastung sind also proportional zum Kontaktwinkel der Wälzkörper in der Laufbahn der Wälzlagerringe. Bei dieser Anordnung der DMS - Sensoren wird der Effekt genutzt, dass bei Wälzlagern mit gekrümmten Laufbahnen die Wälzkörper bei einer kombinierten Radial - Axialbelastung aus dem Laufbahngrund sich heraus bewegen und eine neue Gleichgewichtslage außerhalb des Laufbahngrundes einnehmen. Je höher die Axialbelastung wird, desto weiter weicht der Wälzkörper aus dem Laufbahngrund Richtung Seitenfläche des Wälzlagers. Damit verschiebt sich auch die Druckellipse zwischen Wälzlagerring und Wälzkörper in axialer Richtung. Die Druckellipse führt auch zu einer Längenveränderung in Umfangsrichtung im Material des Wälzlagerringes. Die Sensoren, die in axialer Richtung unterschiedlich breit sind, erfassen somit die Längenveränderung im Material - beim Durchrollen des Wälzkörpers - unterschiedlich lang. Die Länge der Belastung eines Sensors kann über die Kenntnis der Geometrie des Wälzlagers in radiale und axiale Kräfte umgerechnet werden.
Da die Belastungsdauer eines Sensors auch von der Drehzahl des Wälzlagers abhängig ist, wird über den Zeitabstand, den zwei benachbarte Wälzkörper benötigen, um einen Sensor zu belasten, die Drehzahl ermittelt.
Der Vorteil von Anspruch 3 besteht darin, das bei dieser Anordnung handelsübliche rechteckige DMS - Sensoren eingesetzt werden können.
Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird anhand von 6 Figuren beschrieben.
In der Figur 1 wird ein Wälzlager mit gekrümmten Laufbahnen (hier ein Rillenkugellager) dargestellt. Der Wälzkörper 1 ist zwischen den beiden Lauf ringen 2 und 3 angeordnet. In dieser Darstellung befindet sich der Wälzkörper genau in der mittleren Lage des Wälzlagers. Bei Belastung wandert dieser Wälzkörper in axialer Richtung zur Seitenfläche 2a oder 2b des Wälzlagers, wobei dies von der Kraftrichtung der axialen Kräfte abhängt. Die Sensoren 4 sind in diesem Beispiel in einer Nut 5 am Außenring 2 angeordnet. Nicht dargestellt ist die analoge Anordnung der Sensoren 4 in einer Nut am Innenring 3. Die Figuren 2 bis Figur 5 zeigen spezielle Sensoranordnungen, die in der Nut 4 am Außenring 2 und/oder am Innenring 3 angeordnet sind. Um die Anordnung der Sensoren besser zu erkennen, sind die Wälzlagerringe abgewickelt dargestellt. Die Sensoren 4 sind hier in der bevorzugten Ausführungsform eines Dehnungsmess-Strei- fens in trapezförmiger Anordnung dargestellt. Die Leiterbahnabschnitte des DMS- Sensors 4a bzw. 4b sind in axialer Richtung 6 unterschiedlich lang ausgeführt. Aus dieser Darstellung wird sofort deutlich, dass ein Wälzkörper, der sich in axialer Richtung 6 aus dem Laufbahngrund heraus sich bewegt, die Sensoren 4 unterschiedlich lang (zeitlich) belastet. Die Länge des Zeitsignals eines Sensors ist somit proportional zur Winkellage des Wälzkörpers 1 in den Wälzlagerringen 2 oder 3. Da die Sensoren 4 normalerweise zu Wheatstone -Brücken verschaltet werden, ist die Dauer des Ausgangssignals der Wheatstone - Brücke somit proportional zum Kontaktwinkel des Wälzkörpers 1 in der Laufbahn der Wälzlagerringe 2 oder 3. Eine bevorzugte Ausführungsform stellt hierbei die Anordnung der DMS - Sensoren in einem Abstand im Wälzlagerring dar, der dem halben Abstand zweier benachbarter Wälzkörper entspricht.
In der Fig. 2b sind die Ausgangssignale der Wheatstone - Brücke für den Fall dargestellt, dass der Wälzkörper im Bereich der kurzen Leiterbahnabschnitte 4a unter dem DMS - Sensor hindurchrollt. Die Lage der unter den Sensoren hindurchrollenden Wälzkörper ist mit dem Pfeil 10 gekennzeichnet. Die Periodendauer 8a der Signale ist entsprechend kurz.
In der Fig. 2c sind die Ausgangssignale der Wheatstone - Brücke für den Fall dargestellt, dass der Wälzkörper im Bereich der langen Leiterbahnabschnitte unter dem DMS - Sensor hindurchrollt. Die Lage der unter den Sensoren hindurchrollenden Wälzkörper ist mit dem Pfeil 11 gekennzeichnet. Die Periodendauer 8b der Signale ist entsprechend lang. Die Periodendauer ist bei bekannter Drehzahl des Wälzlagers also proportional zur Winkellage der Wälzkörper in der Laufbahn.
Bei der Sensoranordnung in der Figur 3 wird die Winkellage der Wälzkörper in der Laufbahn durch eine Mittelwertbildung der langen und kurzen Periodendauer im Ausgangssignal der Wheatstone - Brücke ermittelt. In der Figur 3a ist das Ausgangssignal der Wheatstone - Brücke dargestellt. Die abwechselnde Periodendauer 8c ist gekennzeichnet. Bei den Sensoranordnungen in der Figur 4 und 5 ist der Zeitabstand zwischen dem Belasten werden zweier benachbarten Sensoren 4c, 4d proportional zur Winkellage des Wälzkörpers 1 in den Laufbahnen 2c, 3c der Wälzlagerringe 2 oder 3. Die Figuren 4 und 5 unterscheiden sich durch unterschiedlich orientierte Leiterbahnabschnitte in den Sensoren (DMS-Sensoren) 4c und 4d. Nicht dargestellt ist der vergleichbare Fall mit Einsatz handelsüblicher DMS-Sensoren mit rechtwinkeliger Grundfläche.
In der Figur 6 ist ein Ausschnitt des Wälzlagerringes mit den Sensoren 4 dargestellt. Der Wälzkörper 1 ist in unterschiedlichen Lagen in der Laufbahn gezeichnet. Das vom Sensor 4 (eines Sensors der Wheatstone - Brücke) ermittelte Signal ist unterhalb des Ausschnittes des Wälzlagerringes abgebildet. An der Ordinate des Koordinatensystems ist die Widerstandsänderung (ΔR/R) im Sensor 4 und an der Abszisse ist die Zeit (t) aufgeführt. Die unterschiedliche Periodendauer 8 in Abhängigkeit von dem Kontaktwinkel der Wälzkörper in der Laufbahn der Wälzlagerringe wird in dieser Darstellung deutlich. Die Höhe des Signals 9 ist proportional zur Belastung des Wälzlagerringes.
Bezugszeichenliste
1 Wälzkörper
2 Außenring
2a, 2b Seitenfläche des Außenringes 2c Laufbahn des Außenringes
3 Innenring
3c Laufbahn des Innenringes
4 Sensoren
4a, 4b unterschiedlich lange Leiterbahnen des Sensors
4c, 4d Sensoren gleicher Breite
5 Nut im Außen- oder Innenring
6 axiale Richtung des Wälzlagers
7 Umfangsrichtung des Außen- oder Innenringes
8 Periodendauer des Signals
8a Kurze Periodendauer des Signals 8b Lange Periodendauer des Signals
8c Kurze und lange Periodendauer aufeinanderfolgend im Signal der Wheatstone - Brücke
9 entspricht der Dehnung des Materials und ist proportional zur Höhe der Belastung des Wälzlagerringes
10, 11 Lage der unter dem Sensor hindurchrollenden Wälzkörper

Claims

Kraftmesslaqer
Ansprüche
1 Wälzlager mit gekrümmten Laufbahnen (2c, 3c) und dazwischen angeordneten Wälzkörpern (1) und DMS - Sensoren (4), die in einer Nut (5) am Außendurchmesser des Außenrings (2) und / oder am Innendurchmesser des Innenrings (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge zweier
. benachbarter Leiterbahnabschnitte des DMS - Sensors variiert.
2 Wälzlager mit gekrümmter Laufbahn nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Leiterbahnabschnitte so angeordnet sind, dass der DMS - Sensoren (4) trapezförmig ausgeführt sind.
3 Wälzlager mit gekrümmten Laufbahnen (2c, 3c) und dazwischen angeordneten Wälzkörpern (1) und Sensoren (4), die in einer Nut (5) am Außendurchmesser des Außenrings (2) oder Innendurchmesser des Innenrings (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Sensoren (4c, 4d) in axialer Richtung (6) variiert.
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