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Patent Searching and Data


Title:
PRESTRESS MEASUREMENT WITH LOAD PIN
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/219382
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a bearing assembly (1) for prestress measurement, having at least one rotary element (2, 3), wherein the at least one rotary element (2, 3) comprises a radial (4) and/or axial receptacle (5) for a rolling bearing (6), wherein the at least one rotary element (2, 3) comprises at least one measurement device (7, 8) in the region of the receptacle (4, 5) for measuring the rolling bearing prestress, and wherein the at least one measurement device (7, 8) is situated inside the at least one rotary element (2, 3).

Inventors:
REINERS, Harald (Thomashofstr. 50, Aachen, 52070, DE)
HERFS, Manuel (Römerstraße 33, Heinsberg, 52525, DE)
Application Number:
DE2018/100351
Publication Date:
December 06, 2018
Filing Date:
April 13, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG (Industriestraße 1-3, Herzogenaurach, 91074, DE)
International Classes:
F16C19/52; F16C25/06; F16C25/08
Domestic Patent References:
WO2012097962A22012-07-26
Foreign References:
DE3525691A11986-02-27
DE102009058355A12011-06-16
DE102012210419A12013-12-24
DE102006008176A12007-08-30
DE102010035265A12012-03-01
EP1134443A22001-09-19
DE102013006966A12014-10-23
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

Lageranordnung (1 ) zur Vorspannungsmessung mit mindestens einem Drehelement (2, 3),

- wobei das mindestens eine Drehelement (2, 3) eine radiale (4) und/oder axiale Aufnahme (5) für ein Wälzlager (6) umfasst,

- wobei das mindestens eine Drehelement (2, 3) im Bereich der Aufnahme (4, 5) mindestens eine Messeinrichtung (7, 8) zur Messung der Wälzlagervorspannung umfasst,

dadurch gekennzeichnet, dass

die mindestens eine Messeinrichtung (7, 8) im Inneren des mindestens einen Drehelements (2, 3) angeordnet ist.

Lageranordnung nach Anspruch 1 ,

- wobei die mindestens eine Messeinrichtung (7, 8) ein Messelement (7, 8) zur Kraftmessung umfasst,

- wobei vorzugsweise das Messelement (7, 8) als Kraftmessbolzen ausgebildet ist.

Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2,

- wobei die mindestens eine Messeinrichtung (7, 8) innerhalb des mindestens einen Drehelements (2, 3) an Orten hoher Krafteinwirkung angeordnet ist, um Spannungen innerhalb des mindestens einen Drehelements (2, 3) mit hoher Genauigkeit zu erfassen.

4. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

- wobei ein Messelement (7, 8) der mindestens einen Messeinrichtung in einer Ausnehmung (9, 10), insbesondere in einer Bohrung, angeordnet ist, - wobei vorzugweise der Kanal der Ausnehmung (9, 10), insbesondere der Bohrkanal, im Wesentlichen parallel zur axialen (5) oder radialen Aufnahme (4) des mindestens einen Drehelements (2, 3) angeordnet ist,

- wobei vorzugsweise mindestens ein Messelement (7, 8) in einer Ausnehmung (9, 10) angeordnet ist.

5. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

- wobei die mindestens eine Messeinrichtung (7, 8) im Wesentlichen parallel zur axialen (5) oder radialen Aufnahme (4) des mindestens einen Drehelements (2, 3) angeordnet ist,

- wobei vorzugsweise die mindestens eine Messeinrichtung (7, 8) zwischen 1 mm bis 5 mm, insbesondere zwischen 3 und 10 mm, zur radialen oder axialen Aufnahme (4, 5) des mindestens einen Drehelements (2, 3) beabstandet ist.

6. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

- wobei eine Vielzahl von Messeinrichtungen (7, 8) in Umfangsrichtung (U) des mindestens einen Drehelements (2, 3) angeordnet ist,

- wobei vorzugsweise die Messeinrichtungen (7, 8) in radialer (R) oder axialer Richtung (A) in jeweils gleichem Abstand voneinander angeordnet sind, - wobei vorzugsweise die Messeinrichtungen (7, 8) in radialer (R) und/oder axialer Richtung (A) entlang der Umfangsrichtung (U) gleichverteilt angeordnet sind.

7. Lageranordnung nach einem der vorigen Ansprüche,

- wobei die mindestens eine Messeinrichtung (7) für die radiale Aufnahme (4) zu der mindestens einen Messeinrichtung (8) für die axiale Aufnahme (5) in Umfangsrichtung (U) des mindestens einen Drehelements (2, 3) versetzt angeordnet sind

- wobei vorzugsweise die mindestens eine Messeinrichtung (7) für die radiale Aufnahme (4) zu der mindestens einen Messeinrichtung (8) für die axiale Auf- nähme (5) in Umfangsrichtung (U) maximal in einem Winkelbereich von 1 bis 10 Grad versetzt angeordnet ist.

8. Lageranordnung nach einem der vorigen Ansprüche,

- wobei die Lageranordnung (1 ) ein Wälzlager umfasst,

- wobei vorzugsweise das mindestens eine Drehelement einen drehenden oder ortsfesten Gehäuseabschnitt umfasst,

- wobei vorzugsweise das Wälzlager ein Lagerinnen- und/oder Lageraußenelement umfasst,

- wobei vorzugsweise das Lagerinnenelement als Innenring ausgebildet ist,

- wobei vorzugsweise das Lageraußenelement als Außenring ausgebildet ist.

9. Lageranordnung nach Anspruch 8,

- wobei sich das Wälzlager (6) an der radialen (4) und/oder axialen Aufnahme (5) des mindestens einen Drehelements (2, 3) zur Übertagung von Vorspannungskräften in radialer (R) und/oder axialer Richtung (A) des mindestens einen Drehelements (2, 3) abstützt,

- wobei vorzugsweise die radiale Aufnahme (4) eine zylindrische Form aufweist,

- wobei vorzugsweise die axiale Aufnahme (5) kreisscheibenförmig ausgebildet ist.

10. Lageranordnung nach einem der vorigen Ansprüche,

- wobei die mindestens eine Messeinrichtung (7, 8) eine Auswerteeinheit zum Erfassen und/oder Auswerten von Messwerten umfasst,

- wobei vorzugsweise das Messelement (7, 8) der mindestens einen Messeinrichtung (7, 8) über ein Mittel zur drahtlosen Verbindung mit einer Auswerteeinheit verfügt,

- wobei vorzugsweise die Auswerteeinheit über ein Mittel zur drahtlosen Verbindung mit einem Messelement verfügt.

Description:
Vorspannungsmessung mit Kraftmessbolzen

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit einem Drehelement, das eine radiale und axiale Aufnahme für ein Wälzlager umfasst, wobei das Drehelement im Bereich der Aufnahme eine Messeinrichtung zur Messung der Wälzlagervorspannung umfasst.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bestimmte Wälzlagerarten bei der Montage vorzuspannen.

Denn die richtige Vorspannung eines Wälzlagers verbessert dessen Laufeigenschaf- ten und trägt entscheidend zur Lebensdauer des Wälzlagers bei.

Die Vorspannung wird derzeit bei der Montage so eingestellt, dass zwischen Führungsbord und Wälzkörper kein Spalt mehr vorhanden ist. Dafür verwenden Monteure z. B. eine Fühlerlehre.

Während der Laufzeit bzw. während der Betriebszeit des Wälzlagers kann dessen Vorspannung nicht mehr kontrolliert werden.

Jedoch besteht ein Interesse daran, die Vorspannung zu messen.

So sind aus dem Stand der Technik Systeme mit Wegsensoren bekannt, die den Abstand des Außenrings und Innenrings axial und radial zum Lagergehäuse vermessen.

Durch Finite-Elemente-Berechnungen und aktive Kalibrierung kann somit die Vor- Spannung eingestellt werden und auch im Betrieb überwacht werden.

Jedoch verursacht bei solchen Systemen die hohe Anzahl sowie der große Bauraum der Wegsensoren hohe Kosten, da für ein Lager normalerweise an drei Positionen (jeweils 120° versetzt) in zwei Richtungen gemessen wird und somit für jedes Lager sechs Sensoren zuzüglich Auswerteeinheit benötigt werden. Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lageranordnung zur Vorspannungsmessung anzugeben, welche kostengünstig und einfach realisierbar ist sowie einen geringen Bauraum benötigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Un- teransprüche. Erfindungsgemäß umfasst bei der vorliegenden Erfindung eine Lageranordnung zur Vorspannungsmessung mindestens ein Drehelement, wobei günstigerweise das mindestens eine Drehelement eine radiale und/oder axiale Aufnahme für ein Wälzlager umfasst. Bevorzugterweise handelt es sich bei der radialen und/oder axialen Aufnahme um einen Lagersitz eines Wälzlagers.

Vorzugsweise umfasst das mindestens eine Drehelement einen drehenden oder ortsfesten Gehäuseabschnitt. Somit kann das Drehelement also beispielsweise ein Gehäuse sein oder aber eine Welle/Achse. Auch ist es günstig, wenn das mindestens eine Drehelement im Bereich der Aufnahme mindestens eine Messeinrichtung zur Messung der Wälzlagervorspannung umfasst.

Ferner ist es von Vorteil, wenn die mindestens eine Messeinrichtung im Inneren des mindestens einen Drehelements angeordnet ist. Auf diese Weise können Spannungen bzw. Kräfte innerhalb des mindestens einen Drehelements einfach und schnell, aber auch präzise erfasst werden.

Bevorzugterweise umfasst die mindestens eine Messeinrichtung ein Messelement zur Kraftmessung.

Vorzugsweise ist das Messelement als Kraftmessbolzen ausgebildet. Dieses erlaubt es auf einfache Weise einwirkende Kräfte auf ein Bauteil bzw. auf das mindestens eine Drehelement zu erfassen. Ferner kann ein Kraftmessbolzen auch auf einfache Weise in das mindestens eine Drehelement eingebracht werden.

Ferner ist es bevorzugt, dass die mindestens eine Messeinrichtung innerhalb des mindestens einen Drehelements an Orten hoher Krafteinwirkung angeordnet ist.

Dadurch können Spannungen innerhalb des mindestens einen Drehelements mit hoher Genauigkeit erfasst werden.

Ferner ist es möglich, dass ein Messelement der mindestens einen Messeinrichtung in einer Ausnehmung, insbesondere in einer Bohrung, angeordnet ist. Somit kann das Messelement beispielsweise an Orten hoher Krafteinwirkung angeordnet werden. Vorteilhafterweise ist der Kanal der Ausnehmung, insbesondere der Bohrkanal, im Wesentlichen parallel zur axialen oder radialen Aufnahme des mindestens einen Drehelements angeordnet.

Unter„im Wesentlichen parallel" wird vorzugsweise in der vorliegenden Beschreibung verstanden, dass die Mittellinie des Kanals der Ausnehmung innerhalb eines Zylinders vom Durchmesser 0,05 - 2 mm liegt, der parallel zur axialen oder radialen Aufnahme angeordnet ist.

Auch ist es günstig, wenn mindestens ein Messelement in einer Ausnehmung angeordnet ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist es von Vorteil, wenn innerhalb einer Ausnehmung zwei oder mehr Messelemente angeordnet sind. Auf diese Weise kann innerhalb des Kanals der Ausnehmung ein größerer Abschnitt bzw. auch der gesamte Kanal der Ausnehmung der Erfassung von Kräften dienen.

Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die mindestens eine Messeinrichtung im Wesentlichen parallel zur axialen oder radialen Aufnahme des mindestens einen Drehele- ments angeordnet ist.

Unter„im Wesentlichen parallel" wird vorzugsweise in der vorliegenden Beschreibung verstanden, dass die Mittellinie der mindestens einen Messeinrichtung innerhalb eines Zylinders vom Durchmesser 0,05 - 2 mm liegt, der parallel zur axialen oder radialen Aufnahme angeordnet ist. Vorzugsweise ist die mindestens eine Messeinrichtung zwischen 1 mm bis 15 mm, insbesondere zwischen 3 und 10 mm, zur radialen oder axialen Aufnahme des mindestens einen Drehelements beabstandet. Somit kann das Messelement bzw. die mindestens eine Messeinrichtung an einem Ort angeordnet werden, der günstigerweise nahe einer möglichen hohen Krafteinwirkung liegt. Auch ist es bevorzugt, dass eine Vielzahl von Messeinrichtungen in Umfangsrichtung des mindestens einen Drehelements angeordnet ist. Somit ist es möglich, über den Umfang bzw. in tangentialer Richtung bzw. in Umfangsrichtung des mindestens einen Drehelements die Wälzlagervorspannung bei der Montage, aber auch im Betrieb zu erfassen. Ferner ist es günstig, dass die Messeinrichtungen in radialer und/oder axialer Richtung in jeweils gleichem Abstand voneinander angeordnet sind. Somit können ein- wirkende Kräfte bzw. die Lagervorspannung in regelmäßigen Abständen kontrolliert und erfasst werden. Auch ist damit nachvollziehbar, ob die Lagervorspannung entlang des Umfangs des mindestens einen Drehelements bzw. des Wälzlagers gleichmäßig verteilt ist bzw. aufgebracht ist. Des Weiteren ist bevorzugt, dass die mindestens eine Messeinrichtung für die radiale Aufnahme zu der mindestens einen Messeinrichtung für die axiale Aufnahme in Um- fangsrichtung des mindestens einen Drehelements versetzt angeordnet ist. Mit anderen Worten ausgedrückt ist es von Vorteil, wenn zwischen zwei Messeinrichtungen für eine axiale Aufnahme in Umfangsrichtung eine Messeinrichtung für eine radiale Auf- nähme angeordnet sind. Günstigerweise ist mittig zwischen zwei Messeinrichtungen für die axiale Aufnahme in Umfangsrichtung eine Messeinrichtung für die radiale Aufnahme angeordnet.

Auch ist es von Vorteil, wenn die mindestens eine Messeinrichtung für die radiale Aufnahme zu der mindestens einen Messeinrichtung für die axiale Aufnahme in Umfangs- richtung maximal in einem Winkelbereich von 1 bis 10 Grad versetzt angeordnet ist. Vorzugsweise bezieht sich ein Winkel bzw. ein Winkelbereich auf die Umfangsrichtung des mindestens einen Drehelements.

Auch ist es von Vorteil, wenn die Lageranordnung ein Wälzlager umfasst.

Günstigerweise umfasst das Wälzlager ein Lagerinnen- und/oder Lageraußenelement, wobei vorzugsweise das Lagerinnenelement als Innenring ausgebildet ist, und/oder wobei vorzugsweise das Lageraußenelement als Außenring ausgebildet ist.

Des Weiteren ist es günstig, wenn sich das Wälzlager an der radialen und/oder axialen Aufnahme des mindestens einen Drehelements zur Übertragung von Vorspannungskräften in radialer und/oder axialer Richtung des mindestens einen Drehele- ments abstützt. Auf diese Weise können auf das Wälzlager einwirkende Kräfte zu dem mindestens einen Drehelement über die radiale und/oder axiale Aufnahme weitergeleitet werden.

Vorzugsweise weist die radiale Aufnahme eine zylindrische Form auf. Somit können Kräfte in radialer Richtung aufgenommen werden. Auch ist es günstig, wenn die axiale Aufnahme kreisscheibenförmig ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung erlaubt es, Kräfte in axialer Richtung aufzunehmen. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Messeinrichtung eine Auswerteeinheit oder eine Auswerteelektronik zum Erfassen und/oder Auswerten von Messwerten umfasst.

Insbesondere in Kombination eines Messelements der mindestens einen Messeinrich- tung mit einer Auswerteeinheit bzw. einer Auswerteelektronik zum Erfassen und/oder Auswerten von Messwerten ist es von Vorteil, wenn die Auswerteeinheit/Auswerteelektronik am Messelement angeordnet ist.

Auch ist es günstig, wenn das Messelement der mindestens einen Messeinrichtung über ein Mittel zur drahtlosen Verbindung mit einer Auswerteein- heit/Auswerteelektronik verfügt, um Sensordaten des Messelements in Form von einwirkenden Kräften ohne Verlegung von Kabeln zu übertragen.

Ferner ist es günstig, wenn die Auswerteeinheit/Auswerteelektronik über ein Mittel zur drahtlosen Verbindung mit einem Messelement verfügt. Auf diese Weise können Sensordaten von auf dem Messelement einwirkenden Kräfte von der Auswerteein- heit/Auswerteelektronik empfangen werden.

Nachfolgend wird der oben dargestellte Erfindungsgedanke ergänzend mit anderen Worten ausgedrückt.

Dieser Gedanke betrifft vorzugsweise - vereinfacht dargestellt - eine Lageranordnung zur Vorspannungsmessung mit mindestens einem Drehelement und einer Messein- richtung zur Messung der Wälzlagervorspannung, wobei die Messeinrichtung vorzugsweise im Inneren des mindestens einen Drehelements angeordnet ist.

Dabei nutzt die hier beschriebene Lösung vorzugsweise Kräfte bzw. Deformierungen von Aufnahmen des mindestens einen Drehelement, die durch die Vorspannung eines Wälzlagers auf die entsprechenden Bauteile einwirken. Günstigerweise kommen hierbei Kraftmessbolzen zum Einsatz, die von der Firma Schaeffler Technologies AG & Co. KG entwickelt wurden. Diese sind günstigerweise kostengünstig herstellbar und relativ leicht integrierbar.

Konkreter dargestellt, existiert zum Beispiel bei einem Kegelrollenlager sowohl eine axiale Stützstelle am Außenring als auch eine radiale Stützstelle am Außenring eines Wälzlagers. Dabei wird bei der Vorspannung des Wälzlagers eine gewisse Kraft auf sämtliche Bestandteile des Lagers, auch auf den Innen- und Außenring, ausgeübt.

Werden nun vorzugsweise mehrere, im Kreis verteilte Kraftmessbolzen in der Nähe dieser Stützstellen bzw. in der Nähe des Außenrings angeordnet, so können die auf den Außenring einwirkende Kräfte und somit die Vorspannung auf das Wälzlager berechnet werden.

Um vorzugsweise die gemessenen Dehnungen mit den tatsächlichen Vorspannungen zu korrelieren, bedarf es günstigerweise einer aktiven Kalibrierung einer Sensorik. Diese kann zum Beispiel durch Aufbringung einer axialen, bekannten Kraft zurückge- rechnet werden.

Die optimale Position der Kraftmessbolzen sowie die dort zu erwartende Deformation kann vorzugsweise mittels einer Finite Elemente Methode berechnet werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt schematisch:

Fig. 1 eine Schnittansicht auf eine erfindungsgemäße Lageranordnung mit einer Messeinrichtung.

Figur 1 zeigt eine Schnittansicht auf eine erfindungsgemäße Lageranordnung 1 mit einer Messeinrichtung 7, 8.

Genauer dargestellt zeigt Figur 1 eine Lageranordnung 1 zur Vorspannungsmessung mit Drehelementen 2, 3, wobei das Drehelement 2 eine radiale 4 und eine axiale Aufnahme 5 für ein Wälzlager 6 mit Wälzkörpern 13 umfasst.

Mit anderen Worten ausgedrückt handelt es sich bei der axialen Aufnahme 5 und der radialen Aufnahme 4 um einen Lagersitz für das Wälzlager 6.

Im vorliegenden Beispiel ist das Drehelement 2 ein ortsfester Gehäuseabschnitt, wohingegen das Drehelement 3 als Welle ausgebildet ist.

Ferner zeigt Figur 1 , dass die Lageranordnung 1 ein Wälzlager 6 mit einem Lagerinnen- 12 bzw. Innenring 12 und einem Lageraußenelement 1 1 bzw. Außenring 1 1 hat. Dabei stützt sich das Wälzlager 6 an der radialen 4 und axialen Aufnahme 5 des Drehelements 2 zur Übertragung von Vorspannungskräften in radialer R und axialer Richtung A des Drehelements 2 ab.

Auch geht aus Figur 1 hervor, dass die radiale Aufnahme 4 eine zylindrische Form aufweist und die axiale Aufnahme 5 kreisscheibenförmig ausgebildet ist. Beide Aufnahmen 4, 5 zusammengenommen, ergeben in der Schnittansicht von Figur 1 eine Form ähnlich einem„L".

Des Weiteren zeigt Figur 1 , dass das Drehelement 2 im Bereich der Aufnahmen 4, 5 jeweils eine Messeinrichtung 7, 8 zur Messung der Wälzlagervorspannung hat, wobei jede Messeinrichtung 7, 8 im Inneren des Drehelements 2 angeordnet ist.

Hierbei weist jede Messeinrichtung 7, 8 ein Messelement 7, 8 zur Kraftmessung auf, wobei die Messelemente 7, 8 als Kraftmessbolzen ausgebildet ist.

Die Messelemente 7, 8 sind dabei in jeweils einer Bohrung 9, 10 angeordnet, wobei der entsprechende Bohrkanal im Wesentlichen parallel zur axialen 5 bzw. radialen Aufnahme 4 des Drehelements 2 angeordnet ist.

Aufgrund der Einbringung der Messeelemente 7, 8 in die Bohrungen 9, 10 sind auch die jeweiligen Messeinrichtungen 7, 8 im Wesentlichen parallel zur axialen 5 und radialen Aufnahme 4 des Drehelements 2 angeordnet.

Im vorliegenden Beispiel sind die Messelemente 7, 8 bzw. die Messeinrichtungen 7, 8 zwischen 1 ,5 und 3,5 mm zur radialen und axialen Aufnahme 4, 5 des Drehelements 2 beabstandet.

Anders ausgedrückt sind die Messeinrichtungen 7, 8 innerhalb des Drehelements 2 an Orten hoher Krafteinwirkung angeordnet, um Spannungen innerhalb des Drehelements 2 mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Es wird darauf hingewiesen, dass im vorliegenden Beispiel eine Vielzahl von Messeinrichtungen 7, 8 in Umfangsrichtung U des Drehelements 2 angeordnet ist, wobei die Messeinrichtungen 7, 8 in radialer R und axialer Richtung A entlang der Umfangsrichtung U gleichverteilt angeordnet sind.

Auch ist die Messeinrichtung 7 für die radiale Aufnahme 4 zu der Messeinrichtung 8 für die axiale Aufnahme 5 in Umfangsrichtung U des Drehelements 2 versetzt angeordnet. Zwar ist es in Figur 1 nicht gezeigt, jedoch kann jede Messeinrichtung 7, 8 eine Auswerteeinheit zum Erfassen und Auswerten von Messwerten aufweisen, wobei die Messelemente 7, 8 über ein Mittel zur drahtlosen Verbindung mit der Auswerteeinheit verfügen können, und wobei die Auswerteeinheit über ein Mittel zur drahtlosen Ver- bindung mit einem Messelement verfügen können.

Bezugszeichenliste

1 Lageranordnung

2 Drehelement

3 Drehelement

4 radiale Aufnahme

5 axiale Aufnahme

6 Wälzlager

7 Messeinrichtung/Messelement

8 Messeinrichtung/Messelement

9 Ausnehmung/Bohrkanal

10 Ausnehmung/Bohrkanal

1 1 Außenring

12 Innenring

13 Wälzkörper

A axiale Richtung

R radiale Richtung

U Umfangsrichtung