Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Zustandsüberwachung von Wälzlagern. Insbe- sondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung des mittleren reibschluss- bedingten Schlupfes einer Vielzahl von Wälzkörpern eines Wälzlagers. Weiter betrifft die Erfindung eine Messanordnung zur Bestimmung des mittleren reibschlussbeding- ten Schlupfes einer Vielzahl von Wälzkörpem eines Wälzlagers.

Hintergrund der Erfindung

Mit einer Zustandsüberwachung von Wälzlagern können Schmierbedingungen, bei- spielsweise Öldurchfluss, Fettmenge oder Fettart, verbessert werden. Dies kann be- reits bei der Entwicklung von Maschinen hilfreich sein, aber auch auf die Beanspru- chung im Produktiveinsatz hinweisen.

Zustandsüberwachungen von Wälzlagern erfolgen häufig über Beschleunigungs- und Temperaturmessungen. Bei diesen Verfahren liegt ein Schaden jedoch meist schon vor, wenn die entsprechende Messmethode einen bestimmten Schwellwert erreicht. Weiter sind kaum Hinweise zur Schadensursache ableitbar.

Die Überwachung der Lagervorspannung ist eine weitere Methode, welche auf Prob- leme bei beispielsweise der Schmierung eines Wälzlagers hinweisen kann. Die La- gervorspannung ist jedoch ebenfalls stark von der Lagertemperatur, und damit auch von der Umgebungstemperatur, abhängig und reagiert träge.

Eine weitere Methode ist die Überwachung der Lagerlast, welche aufwendig und teuer ist, und daher nur in Sonderfällen wirtschaftlich sinnvoll ist.

Von großem Interesse für einen zuverlässigen und schadlosen Betrieb eines Wälzla- gers ist einem im Lager auftretenden Schlupf zwischen den Lagerringen und den Wälzkörpern zu kennen. Beim Auftreten von Lagerschlupf rollen die Wälzkörper nicht wie gewünscht auf den Laufbahnen der Lagerringe ab, so dass die Drehzahl der Wälzkörper nicht in demjenigen Maß von der Drehzahl des beispielsweise drehenden Lagerrings, wenn der andere Lagerring nicht drehbar ist. abweicht, wie dies durch die geometrischen Verhältnisse zwischen den Lagerringen und den Wälzkörpern vorbe- stimmt ist.

So ist ein erster Extremfall denkbar, bei dem die oben definierte Wälzkörperdrehzahl identisch mit der Drehzahl des sich drehenden Lagerrings ist, so dass die Wälzkörper über die Laufbahn des feststehenden Lagerrings gleiten. In einem zweiten Extremfall würden die Wälzkörperdrehzahl identisch mit der Drehzahl des stehenden Lagerrings sein, also Null betragen, wobei die Wälzkörper über die Laufbahn des sich drehenden Lagerrings gleiten.

Eine bekannte Methode zur Ermittlung des Schlupfes besteht in einem Vergleich der Messsignale von zwei Drehzahlgebern, die die Drehzahl eines drehenden Lagerinnen- rings und die Drehzahl der Wälzkörper erfassen. Sofern diese Drehzahlwerte nicht das erwartete Drehzahlverhältnis zueinander aufweisen, kann davon ausgegangen werden, dass ein Schlupf zwischen den genannten beiden Lagerbauteilen vorliegt.

Darüber hinaus ist es bekannt, zur Schlupfbestimmung mit einem ersten Sensor die zeitliche Drehzahlwinkeländerung des drehbar gelagerten Lagerinnenrings zu messen und mit derjenigen Frequenz zu vergleichen, mit der der Befestigungsort eines zwei- ten Sensors, beispielsweise eines Dehnungsmessstreifensensors. am Lageraußen- ring oder am Lagerinnenring von den Wälzkörpern des Lagers überrollt wird.

Aus der DE 103 14 295 B4 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Schlupfes zwischen einem drehenden Lagerring und den zwischen den Lagerringen angeordneten Wälz- körpern bekannt, bei dem für ein Zeitintervall die Drehzahlen dieser Lagerbauteile um das Lagerdrehzentrum bestimmt und miteinander verglichen werden. Durch Verwen- dung eines einzigen SAW- oder BAW-Sensor mit einer Sendeantenne kann aus der Überrollung der Wälzkörper über den Sensor die Überrollfrequenz ermittelt werden und mittels der Sendeantenne die Drehwinkelpositionsänderung. Aus der Überrollfre- quenz kann dann die Drehzahl der Wälzkörper berechnet werden, sowie aus der Drehwinkeländerung die Drehzahl des rotierenden Lagerrings. Mit einem Vergleich der beiden Drehzahlen erhält man das aktuelle Drehzahlverhältnis, welches mit dem erwarteten Drehzahlverhältnis verglichen werden kann. Ein Über- oder Unterschreiten des erwarteten Drehzahlverhältnisses weißt auf einen Schlupf zwischen den Lager- bauteilen hin.

Eine direkte Messung von Überrollfrequenzen oder Drehzahlen von Wälzkörpern, La- gerkäfig oder Lagerringen kann nur bei hohem Schlupf bei sehr niedrig belasteten Wälzlagern, also unterhalb der Mindestlast, hilfreiche Aussagen zum Schmierungszu- stand liefern .

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Messanordnung anzugeben, das eine verbesserte Schlupfbestimmung ermöglicht, um den Schmierzustand bei Wälzlagern präzise bewerten und überwachen zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erfassung und einer Messanordnung zur Bestimmung des mittleren reibschlussbedingten Schlupfes einer Vielzahl von Wälzkörpern eines Wälzlagers gelöst. Das Wälzlager umfasst weiter ei- nen ersten Wälzlagerring und einen zweiten Wälzlagerring, wobei der erste und der zweite Wälzlagerring relativ zueinander drehbar sind. Das Wälzlager kann ein vol!rolliges Wälzlager sein. Alternativ kann das Wälzlager weiter einen Wälzlagerkäfig umfassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte Erfassen der Anzahl der Um- drehungen des ersten Wälzlagerrings in Relation zum zweiten Wälzlagerring. Erfas- sen der Anzahl mindestens eines Indikators, wobei der mindestens eine Indikator den Umlauf der Vielzahl von Wälzkörpern um den zweiten Wälzlagerring angibt.

Weiter umfasst das Verfahren entweder das Berechnen des Verhältnisses der erfass- ten Anzahl des mindestens einen Indikators mit der erfassten Anzahl der Umdrehun- gen des ersten Wälzlagerrings, und das Vergleichen des berechneten Verhältnisses mit einem entsprechenden Verhältnisidealwert, wobei der Verhältnisidealwert ohne reibschlussbedingten Schlupf ermittelt ist; oder alternativ das Ermitteln eines Idealwerts des mindestens einen Indikators für die erfasste Anzahl der Umdrehungen des ersten Wälzlagerrings, wobei der Idealwert oh- ne reib-schlussbedingten Schlupf ermittelt ist, und das Vergleichen des ermittelten Idealwerts mit der erfassten Anzahl des mindestens einen Indikators.

Das Verfahren umfasst weiter das Bestimmen des Unterschieds des Vergleichs, und das Ausgeben des Unterschieds als den mittleren reibschiussbedingten Schlupf der Vielzahl von Wälzkörpern.

Der Verhältnisidealwert bzw. Idealwert ist bestimmt durch den Außendurchmesser des inneren Wälzlagerrings, den Innendurchmesser des äußeren Wälzlagerrings sowie durch den Durchmesser der Wälzkörper.

Der Verhältnisidealwert ist bei NichtVorliegen von Lagerschlupf unabhängig von der Zeit. So passieren bei vorgegebener Lagergeometrie die Vielzahl von Wälzkörpern, also der oben genannten mindestens eine Indikator, beispielsweise 15-mal einen Zählpunkt während einer Umdrehung des ersten Wäizlagerrings. Um eine hohe Ge- nauigkeit bei dem Verfahren zu erreichen, muss über einen längeren Zeitraum ge- messen werden. So können beispielsweise 4000 Umdrehungen des ersten Wälzlager- rings, was bei schnelldrehenden Lagern problemlos bereits nach weniger als 20 Se- kunden erreicht ist, gezählt werden. Die erwartete Anzahl für den mindestens einen Indikator ist bei diesem Beispiel 60000. und der Verhältnisidealwert ist 15. Die tat- sächlich erfasste Anzahl des Indikators kann aufgrund des Schlupfes jedoch einen ge- ringeren Wert von beispielsweise 59860 aufweisen. Dies ergibt ein tatsächliches Ver- hältnis von 59860/4000 = 14.965. Somit ergibt sich ein mittlerer reibschlussbedingter Schlupf von 1 5/14,965 - also ca. 0,234 %. Unter der Annahme, dass beispielsweise beim Erfassen der Anzahl des Indikators aufgrund der ganzen Zahlen eine Ungenau- igkeit von +/- 1 auftreten kann, würde dies zu eine Abweichung führen von bloß:

15/(59861 /4000) = ca. 0.232% bzw. 15/(59859/4000) = ca. 0.236%, also +/- 0,002%

In dem vorgehenden Beispiel ist der Verhältnisidealwert der erwartete Zählwert des mindestens einen Indikators bei einer Umdrehung. In einer zweiten Alternative kann ein Idealwert auch abhängig sein von einer vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen, also beispielsweise Erfassen der Anzahl des mindestens einen Indikators für vorge- gebene 4000 Umdrehungen des ersten Wälzlagerrings. Dann können die erwartete Anzahl des Indikators, also 60000, direkt mit der erfassten Anzahl des Indikators ins Verhältnis gesetzt werden, im Beispiel von 59860: 60000/59860 - ca. 0.234%. Vor- teilhaft bei dieser Alternative ist, dass das Ermitteln eines idealwerts nicht notwendi- gerweise durch eine Multiplikation, also im Beispiel 15x4000 = 60000, erfolgen muss. Vielmehr ist es möglich eine vorberechnete Liste von Idealwerten im Speicher einer Datenverarbeitungsanlage abzulegen, beispielsweise idealwerte für Vielfache von 4000 Umdrehungen. Diese idealwerte können über eine wenig prozessorintensive Rechneroperation ausgelesen werden. In der vorhergehenden ersten Alternative ist es jedoch stets erforderlich eine Division bei der Berechnung des tatsächlichen Verhält- nisses durchzuführen, wobei der Verhältnisidealwert stets derselbe ist und bei dem Vergleich der beiden Werte aus dem Speicher ausgelesen wird.

Die erfindungsgemäße Idee der beiden Alternativen ist dieselbe, es werden nämliche absolute Werte über längere Zeiträume ermittelt, und keine zeitpunktuelle Drehzahlen oder Überrollfrequenzen bestimmt. Somit ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein mittlerer reibschlussbedingter Schlupf kleiner als 1 % ermittelbar, was mit den vor- bekannten Verfahren nur in wenigen Spezialfällen möglich ist.

In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Indikator die Vielzahl von Wälzkör- pern. Es werden also direkt die Wälzkörper des Wälzlagers als Indikator(en) verwen- det. In einer weiterführenden Ausführungsform wird die Vielzahl von Wälzkörpern mit einem Sensor erfasst. Ein solcher Sensor kann beispielsweise ein Dehnungsmess- streifen sein, der überrollt wird.

In einer anderen Ausführungsform ist der mindestens eine Indikator eine Markierung auf einem Wälzlagerkäfig des Wälzlagers. In einer weiterführenden Ausführungsform sind mehrere Markierungen über den Umfang des Wälzlagerkäfigs angeordnet. Sinn- voll ist eine gleichmäßige Verteilung der Markierungen auf dem Wälzlagerkäfig, ähn- lich der geometrisch gleichmäßigen Verteilung der Wälzkörper im Wälzlagerkäfig. Mehrere Markierungen sind auch deswegen vorteilhaft, da damit die Messgenauigkeit erhöht werden kann. Weiter kann eine Markierung auch über beispielsweise einen op- tischen Sensor erfasst werden, der nicht im Wälzlager verbaut ist, sondern lediglich auf das Wälzlager gerichtet ist und somit eine einfache technische Lösung bietet be- stehende Wälzlager auf Schlupf zu überprüfen. Alternativ oder zusätzlich können die Markierung oder mehrere Markierungen auf der Vielzahl von Wälzkörpern angebracht sein.

In einer Ausführungsform umfasst der erste Wälzlagerring eine weitere Markierung. Die weitere Markierung wird mit einem weiteren Sensor erfasst. Für die Erfassung eignet sich insbesondere ein optischer Sensor, bevorzugt ein laserbasierter Sensor.

Der optische Sensor zur Erfassung der weiteren Markierung am ersten Wälzlagerring und der optische Sensor zur Erfassung der zuvor genannten Markierung auf dem Wälzlagerkäfig und/oder der Vielzahl von Wälzkörpern können baulich in einer Einheit integriert sein. Somit kann eine für sich autarke und abgeschlossene Messanordnung gebildet werden, die für mehrfache Untersuchungen von Wälzlagern auf Schlupf ein- gesetzt werden kann. Ein Lager muss daher nicht mit aufwendiger Sensorik ausge- stattet werden, sondern es ist lediglich erforderlich Markierungen an den entspre- chenden Stellen anzuordnen.

In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter die Schritte Multiplizieren der erfassten Anzahl der Umdrehungen des ersten Wälzlagerrings mit dem Umfang der Laufbahn des ersten Wälzlagerrings und dem reibschlussbedingten Schlupf, und Aus- geben des Ergebnisses als Reibweg der Vielzahl von Wälzkörpern des Wälzlagers. Unter Fortführung des zuvor beschriebenen Zahlenbeispiels und unter Annahme ei- nes Umfang der Laufbahn von 20cm ergibt sich ein Reibweg von 20cm x 0.234% = ca. 0.0468 cm. Der Reibweg könnte auch Schlupfweg genannt werden.

In einer Ausführt! ngsform ist der erste Wälzlagerring ein drehender Wälzlagerring, und der zweiten Wälzlagerring ein stehender Wälzlagerring.

Der Fachmann kann das erfindungsgemäße Verfahren nutzen, um Aussagen über verschiedene Situationen zu treffen. Durch die sehr genaue Bestimmung des Schlup- fes von unter 1 % sind frühzeitige Aussagen zu den nicht abschließenden folgenden Beispielen möglich:

- Schmierungszustand: im Allgemeinen nimmt der Schlupf beziehungsweise die Reibung infolge der Schmierstoffalterung zu; - pv-Wert (Produkt aus Pressung p und Gleitgeschwindigkeit v): bei Zunahme des Schlupfes nimmt auch der pv-Wert zu. was auf eine Neigung zu White- Etching-Crack (WEC) Defekten und Verschleiß hinweist;

- kritische Dynamik infolge von beispielsweise sich aufbauenden Resonanzen im Lager: der Schlupf nimmt aufgrund Dynamik beziehungsweise Trägheitskräfte zu;

- Vorspannung oder Verlust einer gewollten Vorspannung: Schlupf nimmt plötz- lich stark ab beziehungsweise zu;

- Käfigverspannung über Antrieben von Bordkontakt; Schlupf wird negativ und steigt vom Betrag;

- Lagerbelastung und Restlebensdauer: Schlupf hängt von Belastung bei be- kannter Lagerreibung ab.

Weiter von der Erfindung umfasst ist eine Messanordnung zur Bestimmung des mittle- ren reibschlussbedingten Schlupfes einer Vielzahl von Wälzkörpern eines Wälzlagers, mit der das Verfahren zur Erfassung des mittleren reibschlussbedingten Schlupfes angewendet werden kann.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, welches, wenn es in einen Speicher einer Datenverarbeitungsanlage geladen wird und von mindestens einem Prozessor der Datenverarbeitungsanlage ausgeführt wird, computerimplementierte Schritte des Verfahrens ausführt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiei sowie anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren darge- stellt. Es zeigen:

Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Messanordnung in einem Anwendungsszenario; Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens.

Die Figuren zeigen nicht-skalierte Zeichnungen. Die Größenverhältnisse der Pikto- gramme sind symbolisch zu verstehen und nicht aufeinander abgestimmt.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Messanordnung 100 zur Bestimmung des mittle- ren reibschlussbedingten Schlupfes einer Vielzahl von Wälzkörpern 1 1 1 . 1 12, 1 13 ei- nes Wälzlagers 1 10 in einem Anwendungsszenario, wobei die Datenverarbeitungs- einheit 150 als Blockdiagramm dargestellt ist.

Das Wälzlager 1 10 umfasst weiter einen ersten Wälzlagerring 1 15, einen zweiten Wälzlagerring 116 und einen Wälzlagerkäfig (nicht dargestellt). Der Wälzlagerkäfig (nicht dargestellt) nimmt die Vielzahl von Wälzkörpern 11 1 , 1 12, 1 13 zwischen dem ersten und dem zweiten Wälzlagerring auf. Der erste Wälzlagerring 1 15 und der zwei- te Wälzlagerring 1 16 sind relativ zueinander drehbar. Die Messanordnung 100 um- fasst einen ersten Sensor 120 der konfiguriert ist für das Erfassen der Anzahl der Um- drehungen des ersten Wälzlagerrings 115 in Relation zum zweiten Wälzlagerring 1 16. Dies ergibt Zähiwerte 135. In einer Ausführung ist der erste Wälzlagerring 1 15 ein drehender Wälzlagerring und der zweite Wälzlagerring 1 16 ein stehender Wälzlager- ring. Weiter umfasst die Messanordnung 100 einen zweiten Sensor 122 der konfigu- riert Ist für das Erfassen der Anzahl mindestens eines Indikators, wobei der mindes- tens eine Indikator den Umlauf der Vielzahl von Wälzkörpern 1 1 1. 1 12, 1 13 um den zweiten Wälzlagerring 1 16 angibt. Dies ergibt Zählwerte 136.

In einer Ausführung ist der erste Sensor 120 ein optischer Sensor. Hier eignet sich insbesondere ein laserbasierter Sensor zur Erfassung einer Markierung 121 an dem ersten Wälzlagerring 1 15. Der zweite Sensor 122 ist in Figur 1 als ein Dehnungs- messstreifen zur Erfassung der Überrollungen der Vielzahl von Wälzkörpern 1 1 1 . 1 12. 1 13 am Dehnungsmessstreifen illustriert. Alternativ ist es auch denkbar mindestens eine weitere Markierung auf dem Wälzlagerkäfig (nicht dargestellt) anzubringen, und diese ebenfalls mit einem oder demselben optischen Sensor zu erfassen.

Die Messanordnung 100 umfasst weiter die Datenverarbeitungseinheit 150 mit min- destens einer Datenspeicherkomponente 160, mindestens einer Prozessorkomponen- te 170 und mindestens einer Schnittstellenkomponente 190. Die Schnittstellenkompo- nente 190 ist beispielsweise für einen bidirektionalen Datenaustausch geeignet. Sie ist auch geeignet mit akustischen oder graphischen Ausgabegerät zu kommunizieren. So kann die Schnittstellenkomponente 190 Zählwerte 135 und 136 als Dateninput auf- nehmen. Die Datenverarbeitungseinheit 150 ist konfiguriert für zwei unterschiedliche Datenverarbeitungen basierend auf den Zählwerte 135 und 136.

So wird in einer ersten Konfiguration die Berechnung des Verhältnisses der erfassten Anzahl des mindestens einen Indikators, also Zählwert 136, mit der erfassten Anzahl der Umdrehungen des ersten Wälzlagerrings, also Zählwert 135, durchgeführt, und anschließend ein Vergleich des berechneten Verhältnisses mit einem entsprechenden Verhältnisidealwert durchgeführt. Der Verhältnisidealwert ist ohne reibschlussbeding- ten Schlupf ermittelt. in einer alternativen zweiten Konfiguration wird die Ermittlung eines Idealwerts des mindestens einen Indikators, also Zählwert 136, für die erfasste Anzahl der Umdre- hungen des ersten Wälzlagerrings, also Zählwert 135. durchgeführt. Der Idealwert ist ohne reibschlussbedingten Schlupf angegeben. Der Idealwert kann beispielsweise für verschiedene Anzahlen von Umdrehungen in einer Liste in der Datenbank 180 ausge- lesen werden. Die Datenbank 180 kann Teil der Datenverarbeitungseinheit 150 sein, aber auch beispielsweise über das Internet von einem anderen Speicherort abgerufen werden. Daher ist in Figur 1 die Datenbank 180 auf den Systemgrenzen der Datenve- rarbeitungseinheit 150 dargestellt. Weiter wird in der zweiten Konfiguration ein Ver- gleich des ermittelten Idealwerts mit der erfassten Anzahl des mindestens einen Indi- kators durchgeführt.

Der Vergleich aus der ersten oder der zweiten Konfiguration wird weiter für die Be- stimmung des Unterschieds verwendet. Die Bestimmung des Unterschieds ergibt bei beiden Konfigurationen je den gleichen Wert. Anschließend erfolgt die Ausgabe des Unterschieds als den mittleren reibschlussbedingten Schlupf der Vielzahl von Wälz- körpern des Wälzlagers 1 10.

Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens 200 zur Erfassung des mittleren reibschlussbedingten Schlupfes einer Viel- zahl von Wälzkörpern eines Wälzlagers. Das Wälzlager umfasst weiter einen ersten Wälzlagerring und einen zweiten Wälzlagerring. Der erste und der zweite Wälzlager- ring sind relativ zueinander drehbar. Das Verfahren umfasst das Erfassen 210 der An- zahl der Umdrehungen des ersten Wälzlagerrings in Relation zum zweiten Wälzlager- ring, das Erfassen 215 der Anzahl mindestens eines Indikators, wobei der mindestens eine Indikator den Umlauf der Vielzahl von Wälzkörpern um den zweiten Wälzlager- ring angibt.

Das Verfahren 200 kann in einer ersten Alternative 220 mit dem Berechnen 222 des Verhältnisses der erfassten Anzahl des mindestens einen Indikators mit der erfassten Anzahl der Umdrehungen des ersten Wälzlagerrings und dem Vergleichen 226 des berechneten Verhältnisses mit einem entsprechenden Verhältnisidealwert, wobei der Verhältnisidealwert ohne reibschlussbedingten Schlupf ermittelt ist fortfahren.

Das Verfahren 200 kann in einer zweiten Alternative 220 mit dem Ermitteln 224 eines Idealwerts des mindestens einen Indikators für die erfasste Anzahl der Umdrehungen des ersten Wälzlagerrings, wobei der Idealwert ohne reibschlussbedingten Schlupf ermittelt ist, und dem Vergleichen 228 des ermittelten Idealwerts mit der erfassten An- zahl des mindestens einen Indikators, fortfahren.

Das Verfahren 200 umfasst nach dem Vergleich der ersten oder zweiten Alternative das Bestimmen 230 des Unterschieds des Vergleichs 226, 228, und das Ausgeben 240 des Unterschieds als den mittleren reibschlussbedingten Schlupf der Vielzahl von Wälzkörpern des Wälzlagers.

Optional kann weiter der sogenannte Reibweg der Vielzahl von Wälzkörpern ermittelt werden Diese optionale Ermittlung ist in Figur 2 mit gestrichelten Linien dargestellt. Hierfür umfasst das Verfahren 200 weiter das Multiplizieren 235 der erfassten Anzahl der Umdrehungen des ersten Wälzlagerrings 1 15 mit dem Umfang der Laufbahn des ersten Wälzlagerrings und dem reibschlussbedingten Schlupf, und anschließend das Ausgeben 245 des Ergebnisses als Reibweg der Vielzahl von Wälzkörpern des Wälz- lagers.