Wälzlager mit einer integrierten Winkelmesseinrichtung Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einer integrierten Winkelmesseinrich- tung, einem Lagerinnenring, einem Lageraußenring und dazwischen angeordneten Wälzkörpern und einer ringförmigen Maßverkörperung, die einem wenigstens einen Sensor aufweisenden Messkopf gegenüberliegt, wobei zwischen dem Messkopf und der Maßverkörperung ein festgelegter Abstand eingestellt ist.

Hintergrund der Erfindung

Derartige Wälzlager mit integrierter Winkelmesseinrichtung werden für spielfreie Lagerungen mit genauem Rundlauf eingesetzt. Anwendungsbeispiele sind spanende Werkzeugmaschinen mit Rundtischen, Rundachslagerungen in Gabelfräsköpfen, die Lagerung von Schwenkbrücken sowie Fräsbearbeitungsköp- fe in Drehmaschinen.

Von der Anmelderin werden Wälzlager mit integrierter Winkelmesseinrichtung des Typs INA YRTM hergestellt. Ein entsprechendes Wälzlager ist aus der DE 196 40 895 A1 bekannt. Dieses Wälzlager umfasst einen Lagerinnenring, einen Lageraußenring und dazwischen angeordnete Wälzkörper, sowie eine Drehzahlmesseinrichtung umfassend einen Messwertsensor und einen Mess- wertgeberring, der an einem der Lagerringe befestigt ist. An der Außenmantel- fläche des Geberrings ist eine umlaufende Maßverkörperung angeordnet. Obwohl sich derartige Wälzlager mit integrierter Winkelmesseinrichtung seit langer Zeit bewährt haben, ist es erforderlich, dass zwischen dem wenigstens einen im Messkopf angebrachten Sensor und der Maßverkörperung ein defi- nierter Abstand präzise eingestellt werden muss. Nur wenn dieser Abstand innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs liegt, werden fehlerfreie elektrische Winkelsignale erhalten. Die Qualität dieser elektrischen Messsignale ist sowohl von dem statischen Abstand abhängig, als auch von dynamischen Ab- Standsschwankungen, die auf Rundlaufungenauigkeiten beruhen.

Bei Wälzlagern des Typs INA YRTM erfolgt die Abstandseinstellung mit Hilfe von Abstimmfolien, die genaue Vorgehensweise ist beispielsweise in der Publikation MON 18 der Schaeffler KG mit dem Titel„Axial-Radiallager mit integrier- tem Winkel-Mess-System, Inbetriebnahme- und Diagnoseanleitung" beschrieben. Zur Abstandseinstellung werden die Abstimmfolien unter eine Anschraubfläche gelegt, wodurch der Messspalt eingestellt werden kann. Zur Kontrolle des Abstands werden ein PC, ein Schnittstellenkabel zum Verbinden des Mess-systems mit dem PC, sowie eine spezielle Software benötigt, mit deren Hilfe der Messspalt elektrisch über die Signalstärke gemessen wird. Häufig sind mehrere Korrekturdurchgänge erforderlich, bis der gewünschte statische und dynamische Abstand präzise eingestellt ist. Derartige herkömmliche Wälzlager mit integrierter Winkelmesseinrichtung verursachen somit einen beträchtlichen Aufwand für die Komponenten wie PC, Schnittstellenkabel und Software, die für die Kalibrierung benötigt werden, ebenso wird der hohe Zeitaufwand für eine exakte Einstellung des Abstands als nachteilig angesehen.

Von der Firma Cytec wird ein Messsystem unter der Bezeichnung CyRT/M angeboten, dort erfolgt die Einstellung des Messspalts mittels einer Distanzfolie, d. h. zwischen dem Messkopf und der Maßverkörperung wird eine Folie mit vorgegebener Stärke beigelegt. Der Messkopf wird anschließend von Hand angedrückt, festgeschraubt, danach wird die Folie wieder herausgezogen. Nachteilig ist dabei, dass der Messspalt im eingebauten Zustand des Lagers zumeist nicht oder nur sehr schwer zugänglich ist. Es kann auch vorkommen, dass die Folie nach dem Festschrauben des Messkopfes im Spalt festklemmt und nur durch erneutes Lösen der Verschraubung wieder entfernbar ist. Somit ist eine genaue und ordnungsgemäße Einstellung des Messspalts auch bei diesem System nur mit großem Aufwand möglich. Eine mögliche Fehlerursache beruht darauf, dass die Fläche, beispielsweise eine Zylindermantelfläche, auf der die Maßverkörperung (Winkelteilung) aufgebracht ist, eine Rundlaufabweichung zum Mittelpunkt des Wälzlagers auf- weisen kann. Dadurch wird ein Winkelmessfehler hervorgerufen, der proportional zur Rundlaufabweichung ist und mit zunehmender Rundlaufabweichung ansteigt. Dieser Messfehler erster Ordnung kann bei einer Abtastung mit einem Messkopf nicht festgestellt und somit nicht ausgeglichen oder kompensiert werden. Eine Kompensation dieses Messfehlers wäre nur mit einer Zweikopf- abtastung möglich, die jedoch aufgrund des zweiten Messkopfes aufwendig und teuer ist.

Die herkömmlichen Wälzlager mit integrierter Winkelmesseinrichtung weisen somit den Nachteil auf, dass die erforderliche kundenseitige präzise Einstel- lung des Abstands zwischen Messkopf und Maßverkörperung aufwendig und somit teuer ist.

Aufgabe der Erfindung Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Wälzlager mit einer integrierten Winkelmesseinrichtung anzugeben, deren Rundlaufabweichung verringert ist.

Beschreibung der Erfindung

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Wälzlager der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Messkopf und ein Lagerring mittels wenigstens zwei Stiften formschlüssig miteinander verbunden sind. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bisher häufig eine Rundlaufabweichung zwischen dem Messkopf und dem zugehörigen Lagerring (Lageraußenring oder Lagerinnenring) vorhanden war, die eine exakte Messung beeinträchtigt hat. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist hingegen sicher- gestellt, dass der Messkopf und der zugehörige Lagerring dieselbe Rundlaufge-nauigkeit aufweisen, so dass diese Fehlerquelle entfällt. Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Wälzlager den Vorteil auf, dass der benötigte festgelegte Abstand (Spalt) zwischen dem Messkopf und der Maßverkör- perung bereits im Rahmen der Herstellung des Wälzlagers herstellerseitig justiert werden kann. Beim Einbau des erfindungsgemäßen Wälzlagers, beispielsweise in einen Rundtisch einer Werkzeugmaschine, entfällt ein nachträgliches Einstellen des Spalts und damit eine Kalibrierung des Messkopfes. Auf diese Weise kann der bisher erforderliche beträchtliche Arbeitsaufwand für die individuelle Justierung des Abstands bei jedem einzelnen Wälzlager entfallen. Somit ermöglicht die Erfindung eine beträchtliche Arbeitseinsparung, da die Winkelmesseinrichtung, umfassend den Messkopf und die Maßverkörperung, bereits vorab eingestellt wird, so dass auf eine individuelle Justierung oder Kalibrierung verzichtet werden kann. Dem Kunden wird somit ein einbauferti- ges System zur Verfügung gestellt, das eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet.

Durch das Vorsehen der wenigstens zwei Stifte ist ein stabiler Halt des Messkopfes an dem Lagerring gewährleistet, unabhängig von Dehnungen, Verkippungen oder Schwingungen der das Wälzlager umgebenden mechanischen Strukturkomponenten eines Rundtisches oder eines anderen Maschinenteils.

Bei dem erfindungsgemäßen Wälzlager wird es bevorzugt, dass der Messkopf und der Lageraußenring miteinander verbunden sind. Dementsprechend ist die Maßverkörperung an dem Lagerinnenring angebracht. Allerdings ist auch eine umgekehrte Anordnung denkbar, bei der die Maßverkörperung an dem Lageraußenring und der Messkopf an dem Lagerinnenring angebracht ist. Eine besonders hohe Genauigkeit lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Wälzlager erzielen, wenn der Messkopf mehrere fest mit diesem verbundene abstehende Stifte aufweist, die in daran angepasste Bohrungen des Lagerings gesteckt sind. Durch die exakt angeordneten Stifte und die ebenso präzise angeordneten Bohrungen ergibt sich automatisch die gewünschte präzise Positionierung des Messkopfes gegenüber dem Lagerring, sodass Messkopf und Lagerring dieselbe Rundlaufgenauigkeit besitzen. Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wälzlagers kann vorsehen, dass der Lagerring mehrere fest mit diesem verbundene abstehende Stifte aufweist, die in daran angepasste Bohrungen des Messkopfes gesteckt sind. In jedem Fall sind die Stifte mit einer Komponente fest verbunden und werden zur Montage in Bohrungen des anderen Teils eingesteckt. Wichtig ist dabei, dass sowohl die Stifte als auch die dafür vorgesehenen Bohrungen eine sehr hohe Genauigkeit aufweisen, so dass der zwischen dem Messkopf und der Maßverkörperung gebildete Spalt eine Genauigkeit in der Größenordnung von hundertstel Millimeter aufweist. Um eine zuverlässige Funktion des erfindungsgemäßen Wälzlagers zu gewährleisten, kann es vorgesehen sein, dass die Verbindung zwischen Messkopf und Lageraußenring durch ein Sicherungselement axial gesichert ist. Das Sicherungselement verhindert ein unerwünschtes Lösen der Steckverbindung zwischen Messkopf und Lageraußenring. Vorzugsweise ist das Siche- rungselement als Schraube oder als Klemmfeder ausgebildet.

Für die gewünschte hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des gegenüber der Maßverkörperung positionierten Messkopfes wird es bevorzugt, dass die Stifte und die zugehörigen Bohrungen spielfrei verbindbar oder verbunden sind. Eine spielfreie Verbindung ist erforderlich, da nur dann die geforderte präzise Ausrichtung der Komponenten der Winkelmesseinrichtung und eine exakte Spaltbreite gewährleistet ist.

Um die Herstellung des erfindungsgemäßen Wälzlagers zu vereinfachen, kann es vorgesehen sein, dass die Bohrungen für die Stifte durch Einbringen einer aushärtenden Vergussmasse in eine Ausnehmung oder Durchgangsbohrung hergestellt sind. Die Herstellung kann derart erfolgen, dass die Stifte mit einem Ende in eine exakte Bohrung eingesteckt werden, das jeweils andere Bauteil weist eine größere Ausnehmung auf, als für den Stift erforderlich ist. Somit bildet die Ausnehmung einen Ringraum, der mittels der Vergussmasse vergossen wird. Nach dem Vergießen ist der Stift exakt positioniert, so dass keine weiteren Justierungen oder dergleichen erforderlich sind. Die Position der Boh- rungen beim Vergießen kann durch die Stifte selbst oder durch ein nach dem Aushärten der Vergussmasse entfernbares Formteil festgelegt sein. Im ersten Fall wird die Außenkontur in der Vergussmasse durch die Stifte selbst erzeugt, im zweiten Fall wird ein Formteil verwendet, das nach dem Aushärten der Vergussmasse entfernt wird, so dass anschließend das die Stifte aufweisende Bauteil der Winkelmesseinrichtung in die durch die ausgehärtete Vergussmasse gebildeten Ausnehmungen eingesteckt werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Dass erfindungsgemäß ausgebildete Wälzlager wird nachfolgend in zwei bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 ein Detail eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsge- mäßen Wälzlagers in einer geschnittenen Ansicht ein Detail eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wälzlagers in einer geschnittenen Ansicht.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 zeigt eine geschnittene Ansicht eines Wälzlagers 1 mit einem Lagerinnenring 2, bestehend aus einer Wellenscheibe 3 und einem fest damit verbundenen Winkelring 4. Daneben umfasst das Wälzlager 1 eine feststehende Gehäusescheibe 5, die mit einem Grundgestell einer Werkzeugmaschine (nicht gezeigt) fest verschraubt ist, wodurch ein Rundtisch gebildet wird. Der drehbare Lagerinnenring 2 weist eine Zylindermantelfläche 6 auf, auf der eine Maßverkörperung 7 aufgebracht ist. Die Maßverkörperung 7 rotiert mit dem Lagerinnenring 2 des Wälzlagers 1 um eine Drehachse 8. Zwischen dem Lagerinnenring 2 und der Gehäusescheibe 5 sind Wälzkörper 9, 10, 1 1 ange- ordnet.

In Figur 1 erkennt man, dass der mehrere Sensoren aufweisende Messkopf 12 mittels Stiften 13 mit der Gehäusescheibe 5 verbunden ist. In der geschnittenen Ansicht von Figur 1 ist lediglich ein einziger Stift 13 sichtbar, insgesamt sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei derartige Stifte 13 vorhan- den. Die Gehäusescheibe 5 und der Messkopf 12 sind mittels den Stiften 13 formschlüssig miteinander verbunden. Dazu weist der Messkopf 12 Bohrungen 14 auf, die sich von der Oberseite des Messkopfes 12 in Axialrichtung erstrecken. Die Gehäusescheibe 5 weist eine Durchgangsbohrung 15 auf, die von einer ausgehärteten Vergussmasse 16 umgeben ist. Zur Herstellung der Durchgangsbohrung 15 wird die Gehäusescheibe 5 zunächst mit einer Durchgangsbohrung versehen, deren Durchmesser größer als der Durchmesser des Stifts 13 ist. Ein Formteil wird in diese Ausnehmung eingebracht und exakt positioniert, so dass eine gewünschte Position des Messkopfes 12 festgelegt wird, wodurch sich ein Spalt 17 einer gewünschten Breite zwischen dem Messkopf 12 und der Maßverkörperung 7 ergibt. Auf diese Weise werden Messkopf 12 und Gehäusescheibe 5 exakt aneinander angepasst. Nach dem Aushärten der Vergussmasse 16 wird das Formteil entfernt, wodurch sich die Durchgangsbohrung 15 ergibt. Bei der Montage des Messkopfes 12 und der Gehäusescheibe 15 ergibt sich automatisch die gewünschte Positionierung.

Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel und zeigt ein Wälzlager 18 mit dem Lagerinnenring 2, bestehend aus der Wellenscheibe 3 und dem Winkelring 4 und der daran ausgebildeten Maßverkörperung 7. Der Lagerinnenring 2 entspricht demjenigen des ersten Ausgangsbeispiels.

Der Messkopf 12 liegt in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Maßverkörperung 7 umgeben und ist mittels Stiften 13 mit der Gehäusescheibe 5 verbunden. Der Messkopf 12 weist dazu entsprechende Bohrungen 14 auf.

Eine Schraube 19 dient als Sicherungselement, die Gehäusescheibe 5 und der Messkopf 12 sind durch die Schraube 19 miteinander verbunden. Um die gewünschte genaue Positionierung zwischen Gehäusescheibe 5 und Messkopf

12 zu erzielen, wird bei der Herstellung ein vorgefertigtes Bauteil 20 in die Durchgangsbohrung 21 eingesetzt, das eine Sacklochbohrung 22 für den Stift

13 aufweist. Nach dem Positionieren wird das vorgefertigte Bauteil 20 mit einer Vergussmasse 23 vergossen, so dass die Durchgangsbohrung 21 aufgefüllt wird. Nach dem Aushärten der Vergussmasse 23 befindet sich die Sacklochbohrung 22, in die der Stift 13 eingesteckt wird, exakt an der gewünschten Stelle, so dass der Spalt 17 die gewünschte Breite aufweist, die für eine zuverlässige Messung erforderlich ist.

Das Wälzlager 18 weist den Vorteil auf, dass die Einstellung des Spalts 17 mit sehr hoher Präzision beim Hersteller vorgenommen wird, so dass der Anwender beim Einbau des Wälzlagers 18 in eine Werkzeugmaschine, insbesondere in einen Rundtisch, keine Justierung oder Einstellung mehr durchführen muss. Durch die herstellerseitig vorgenommene Positionierung des Messkopfes 12 zur Gehäusescheibe 5 ergibt sich somit eine beträchtliche Arbeitsersparnis, da bisher jeder Messkopf nach der Montage kalibriert werden musste. Da die Maßverkörperung an dem Winkelring 4 als Bestandteil des Lagerinnenrings 2 angebracht ist, kann kein Rundlaufunterschied zwischen der Maßverkörperung und dem Lagerinnenring auftreten. Bezugszahlenliste

Wälzlager

Lagerinnenring

Wellenscheibe

Winkelring

Gehäusescheibe

Zylindermantelfläche

Maßverkörperung

Drehachse

Wälzkörper

Wälzkörper

Wälzkörper

Messkopf

Stift

Bohrung

Durchgangsbohrung

Vergussmasse

Spalt

Wälzlager

Schraube

Bauteil

Durchgangsbohrung

Sacklochbohrung

Vergussmasse