LAGERANORDNUNG ZUR LAGERUNG WENIGSTENS EINES MASCHINENELEMENTS AN EINER STüTZE

Bezeichnung der Erfindung

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Lageranordnung zur Lagerung wenigstens eines Maschinenelements an einer Stütze

Beschreibung 15

Gebiet der Erfindung

Lageranordnung zur Lagerung wenigstens eines Maschinenelements an einer Stütze, wobei das Maschinenelement an der Stütze beweglich gela-

20 gert ist, die Lageranordnung mit wenigstens einer Messhülse und mit mindestens einem Messelement an der Messhülse, wobei die Messhülse separat zur Stütze ausgebildet ist und wobei das Messelement zumindest zum Messen von physikalischen Größen und Prozessen in der Lageranordnung vorgesehen ist.

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Hintergrund der Erfindung

Eine derartige Lageranordnung ist in dem Abstract zur Veröffentlichung der 30 japanischen Patentanmeldung JP58017328 A beschrieben. Es ist üblich, die Messhülsen zwischen dem Lager und der Stütze für das Lager anzuordnen. Die Stütze ist in der Regel ein Gehäuse oder der Teil eines Gehäuses, in dem oder an dem das Maschinenelement angeordnet ist. Die Stütze kann

aber auch ein separater Lagerbock oder ähnliches sein, mit dem das Maschinenelement gelagert ist. Das Maschinenelement ist beispielsweise eine Achse oder Welle, die mittels der Lageranordnung drehbar zur Stütze gelagert ist. Die jeweilige Messhülse in Lageranordnungen nach dem Stand der Technik ist radial zwischen dem Außenring des Lagers und dem Sitz im Gehäuse angeordnet. Die Messhülse ist zum Beispiel mit Dehnmessstreifen versehen, die auf elastische Formänderungen der Messhülse reagieren. Die Formänderungen resultieren aus Reaktionsstützkräften und Verlagerungen, die durch das mit Kräften/Momenten belastete Maschinenelement im Lager verursacht werden.

Die Genauigkeit der Messergebnisse in derartigen Anordnungen des Standes der Technik ist von vielen Faktoren abhängig und deshalb unter Umständen ungenügend. Die Messergebnisse sind zum Beispiel von der Stei- figkeit der Stütze und von den Einbautoleranzen, von Temperatureinflüssen und von Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe des Gehäuses sowie des Lagerringes abhängig.

Dehnmesselemente oder ähnliches werden vor dem Betrieb der Lageran- Ordnung auf einen vorbestimmten Ausgangszustand kalibriert. Die Messeinrichtung in Lageranordnungen des Standes der Technik wird in Getrieben an der fertig ins Gehäuse montierten Lageranordnung vorgenommen, da zum Beispiel die Vorspannung eines Presssitzes oder die Vorspannungen mittels Schraubverbindungen auf die Messhülse bei der Eichung berücksichtigt werden müssen. Die Vorspannung, die sich in Formänderungen im Lager widerspiegelt, ist von den vorgenannten Toleranzen abhängig und schwankt vom Einbau in einem Getriebe zum nächsten Einbau in einem anderen Getriebe, so dass die Messeinrichtungen für jedes Getriebe individuell abgestimmt werden müssen. Die Zeiten für die Montage des Getriebes erhöhen sich. Lageranordnungen mit Messeinrichtungen der gattungsbildenden Art haben sich deshalb bisher aus Kostengründen in Getrieben der Großserie nicht durchgesetzt.

In einer vorgespannten Lageranordnung, in der sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffes der Messhülse von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Lagerringes bzw. des Gehäuses unterscheidet, kön- nen Wechsel in der Betriebstemperatur zu irreführenden Messergebnissen führen. Es ist zum Beispiel möglich, dass sich die Vorspannung aufgrund dieses Unterschiedes lockert oder zunimmt. Es ist beabsichtigt nur die Spannungen aus den Belastungen auf das Lager zu messen. Da sich jedoch zeitgleich zu den Belastungen auf das Lager die Vorspannung in der La- geranordnung ändern kann, lässt sich nicht eindeutig feststellen, welche Einflüsse zu den Messergebnissen geführt haben.

Der Bauraum für die entsprechenden Messelemente bzw. entsprechende Sensorik ist beschränkt. Für die Messelemente muss ein entsprechend von Belastungen freier Bereich zwischen dem Lagerring und dem Gehäuse geschaffen werden, da die empfindlichen Messelemente, wie Dehnmessstreifen, z.B. nicht durch Druck belastbar sind.

Der Außenring bzw. die Messhülse neigen zum umfangsseitigen Wandern, so dass zum Beispiel Kabelverbindungen zu den Messelemente durch das Wandern im Laufe der Zeit auf Zug beansprucht und zerstört werden können. Die Zu- bzw. Abführung der Kabel zur Sensorik ist schwierig, da die Kabeldurchführungen in Getrieben zum Beispiel abgedichtet werden müssen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lageranordnung zu schaffen, mit der die zuvor genannten Nachteile vermieden werden.

Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Lagerungsanordnung ist an der Messhülse aufgenommen. Das Maschinenelement oder mehrere der Maschinenelemente sind mittels eines oder mehrerer Lager der Lageranordnung in der Messhülse gelagert. Die Messhülse ist an der Stütze, beispielsweise an einer Wand oder an einer Zwischenwand eines Getriebes, fest. Die Stütze kann auch ein Bolzen, eine Welle oder ähnliches sein, auf dem ein Maschinenelement, wie ein Rad mittels der Lageranordnung drehbar gelagert ist. Besonders gut ist die erfindungsgemäße Lageranordnung für die Lagerung von Getriebewellen in Getrieben geeignet.

Die Messhülse trägt das Lager. Das oder die Maschinenelemente sind in bzw. auf der Messhülse gelagert. Sämtliche Betriebsbedingungen, wie Lagerstütz- und Reaktionskräfte, Verschiebungen im Lager oder des Lagers und ggf. Temperaturänderungen werden unbeeinflusst auf die Messhülse übertragen. Die Betriebsbedingungen können an der Messhülse unverfälscht gemessen werden, da die Messhülse mit Lager nur einseitig mit der Stütze verbunden ist und somit weitestgehend von den störenden Einflüssen aus dem Gehäuse, beispielsweise aus einem toleranzabhängigen Presssitz, frei ist. Die entsprechenden Reaktionen aus Kräften, Momenten und Verlage- rungen an der Messhülse sind nicht von der Umgebungskonstruktion unmittelbar beeinflusst.

Die Messanordnung kann vor der Montage an die Stütze kalibriert werden, da z.B. die entsprechenden Spiele im Lager schon vor der Montage an das Gehäuse eingestellt sind. Das Lager weist diese Spiele auch noch nach der Montage unverändert auf. Die Vorspannung wird sich durch den Einbau nicht mehr ändern, da das Lager nicht in einen Gehäusesitz eingepresst wird. Das ist insbesondere bei der Anwendung von derartigen Lageranordnungen in Fahrzeuggetrieben von Bedeutung. Die Messhülse bietet außerdem ausrei- chend Platz für die Anordnung der Messelemente, wie für Messfühler und für andere Sensoren und kann gut gegen Fremdeinwirkungen abgeschirmt bzw. geschützt werden.

Die Messhülse selbst ist vorzugsweise hohlzylindrisch ausgebildet. In der

Messhülse sitzt ein oder sitzen Außenringe des Lagers/der Lager. Alternativ sitzt ein oder sitzen mehr Innenringe auf der Messhülse. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Messhülse Bestandteil des Lagers ist. Die

Messhülse weist wenigstens eine jedoch vorzugsweise zwei Laufbahnen auf.

Jede der Laufbahnen ist jeweils für eine Reihe von Wälzkörpern des Lagers vorgesehen. Die Messhülse ist ein Innenring wenn die Laufbahn umfangssei- tig außen der Messhülse ausgebildet ist oder ist alternativ ein Außenring, an dem die Laufbahn innen umfangsseitig der Messhülse ausgebildet ist.

Die Messhülse ist vorzugsweise ein Bauteil, das aus Blech durch Kaltumformen hergestellt und als Ziehteil vorzugsweise napfförmig ausgebildet ist, und das einen Boden sowie einen Kragen aufweist. Der vorzugsweise radial nach außen gerichtete Kragen ist als Flansch ausgebildet. Mit dem Boden ist das Lager oder ein Sitz des Lagers gegen Einflüsse von außen abgeschirmt. Der Kragen ist zu dem Flansch ausgebildet, mit dem die Lageranordnung an der Stütze, zum Beispiel an einem Getriebegehäuse, angeflanscht ist. Die Hülse ist beispielsweise aus ziehbarem Stahl und wahlweise ferromagneti- sehen Stahl oder nicht ferromagnetischen Stahl.

Die Hülse und/oder der Lagerring sind z. B. mit einer sensorischen Schicht beschichtet. Unter sensorischen Schichten sind alle Schichten zu verstehen, die bei änderungen von stofftechnischen oder physikalischen Größen ables- bar ihre Eigenschaften ändern.

Das Lager ist, wie eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vorsieht, aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten und hülsenförmig ausgebildeten Lagerringen gebildet. Beide Ringe sind vorzugsweise Ziehteile und weisen die entsprechenden Laufbahnen für die Wälzkörper auf. Eine der Hülsen ist mit dem Flansch versehen, mit dem die Lageranordnung an der Stütze fest ist. Einer Lagerringe oder alternativ beide der Lagerringe sind als Messhülse

ausgelegt.

Die Messhülse im Sinne der erfindungsgemäßen Lageranordnung ist eine Hülse zu verstehen, an der entweder direkt oder indirekt mittels einer ent- sprechenden Sensorik änderungen einer oder mehrerer physikalische Größen bzw. Prozesse gemessen werden. Eine Messhülse ist aber auch eine Hülse, die Träger für eine Sensorik ist, mit der von der Hülse entfernt stattfindende änderungen von Zustandsgrößen und/oder Prozessen erfasst werden. Denkbar sind auch Kombinationen vorgenannter Ausgestaltungen. Bei- spiele sind:

- Die Messhülse ist eine Dehnmesshülse, die mit entsprechenden Dehnmessfühlern bestückt ist. Die Dehnmesshülse reagiert auf die Belastungen des Maschinenelementes durch elastische Formände- rungen. Die Formänderungen werden von den Messfühlem an der

Hülse erfasst und an eine entsprechende Auswerteeinrichtung in der Lageranordnung bzw. außerhalb der Lageranordnung weitergeleitet. Das Dehnverhalten derartiger Dehnmesshülsen kann durch entsprechende Gestaltung von Dehnabschnitten der Messhülse gezielt beein- flusst werden. Das ist zum Beispiel durch vorbestimmte Materialquerschnitte oder durch gezieltes Einbringen von Schlitzen und ähnlicher Unterbrechungen bzw. Schwächungen der Struktur der Dehnmesshülse möglich.

- Mit entsprechenden Messfühlern werden an der Messhülse direkt o- der in unmittelbarer Umgebung der Messhülse Größen erfasst, die in/an der Struktur der Dehnhülse festzustellen sind. Derartige Größen sind zum Beispiel änderungen von Magnetismus der Dehnmesshülse, auf die Messhülse übertragene Betriebstemperaturen oder Schwin- gungen des Lagers. Derartige Messanordnungen liefern insbesondere in Lageranordnungen sehr genaue Ergebnisse, in denen die Messhülse gleichzeitig die Laufbahn(en) des entsprechenden Lagers aufweist.

- Auf die Messhülse ist ein Sensor oder sind mehrere Sensoren oder andere Messfühler, z.B. auf der Hülse und/oder auf dem Flansch und/oder am Boden aufgesetzt. Die Sensoren sind durch die Wand der Messhülse hindurch oder durch eine Ausnehmung in der Messhülse hindurch auf Signalgeber gerichtet. Derartige Signalgeber sind beispielsweise Encoder zur Drehzahlmessung oder optische Messanordnungen. Die Messhülse mit Sensor ist dabei relativ zur Stütze fest. Der Encoder ist dabei auf dem rotierenden Lagerring angeordnet.

- Die Messhülse ist mit wenigstens einem oder mit mehreren Messspalten bzw. Messöffnungen von definiertem und veränderlichem Durchlassquerschnitt versehen. Auf die Messöffnungen ist eine Messoptik, z.B. eine Lichtquelle, und ein geeigneter Sensor gerichtet. Die Mess- öffnungen sind in Abschnitte der Messhülse eingebracht, von denen erwartet wird, dass diese aufgrund der Lagerreaktionen auf Zug oder auf Druck belastet sind. Durch die Spannungen, die aufgrund dieser Reaktionen entstehen, vergrößert oder verkleinert sich der Durchlassquerschnitt in ein oder zwei Richtungen. Diese änderungen werden von dem/den Sensoren erfasst und an eine entsprechende Auswerteeinrichtung weitergegeben.

- Einzelne Abschnitte der Messhülse verändern aufgrund von Belastungen ihre Lage durch Verkippung oder durch Verdrehung bzw. durch Ausdehnung oder durch Kompression relativ zueinander. Diese

Veränderungen werden mit einer entsprechenden Sensorik erfasst. So ist es denkbar, Veränderungen der Lage der zylindrischen Messhülse zu dem Flansch durch Winkelmessungen zu erfassen. Dabei sind sowohl Messanordnungen zur Messung der Abweichungen von der Normallage der Rotationsachse in der Lageranordnung, wie Verkippung und Durchbiegung z.B. im Winkelmaß, als auch Verdrehungen gegeneinander um die Rotationsachse z.B. im Bogenmaß mess-

bar.

- Die Verlagerungen einzelner Bauteile der Lageranordnung relativ zueinander wird gemessen. Derartige Veränderungen sind zum Beispiel die Verkippung des Innenringes zum stützenfesten Außenring oder die Verkippung des Außenringes zum stützenfesten Innenring. Messbar sind auch Veränderung des axialen Abstandes des Innenringes, einer Welle oder einer Achse zu dem Boden der Messhülse. Es ist zum Beispiel denkbar, das der Außenring der Lageranordnung gleich- zeitig die Messhülse ist, auf der die Sensorik angeordnet ist. Mit der

Sensorik werden axiale Annäherungen des Innenringes an den Boden der Messhülse oder radiale Annäherungen des Innenringes an die zylindrische Messhülse außen erfasst.

Die vorgenannten Anordnungen sind auch beliebig kombinierbar.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Lageranordnung 1 , bei der ein innerer Lagerring 2 die Messhülse 3 ist. Die Messhülse 3 weist außen eine Laufbahn 4 für eine in einem Käfig 24 gehaltene Reihe Wälzkörper 5 in Form von Kugeln auf. Die Laufbahn 4 ist vorzugsweise spanlos in die Messhülse 3 eingebracht.

Der innere Lagerring 2 ist von einem äußeren Lagerring 6 des Lagers der Lageranordnung 1 umfasst. An dem äußeren Lagerring 6 ist innen eine Laufbahn 20 für die Wälzkörper 5 ausgebildet. Der äußeren Lagerring 6 ist in ein Maschinenelement 7 eingepresst. Das Maschinenelement 7 ist stark vereinfacht als Hohlzylinder dargestellt und kann zum Beispiel eine Hohlwelle

eines Getriebes sein.

Die Messhülse 3 ist ein napfförmig ausgebildetes Ziehteil mit einem hohlzy- lindrischen Abschnitt 8, mit einem Boden 9 und mit einem radial nach außen gerichteten Flansch 10.

Der radiale Flansch 10 ist mit Durchgangslöchern 11 versehen. Durch die Durchgangslöcher 11 greifen nicht dargestellte Befestigungselemente wie Schraubbolzen hindurch und in entsprechende Befestigungslöcher 18 der Stütze 13 ein. Die Lageranordnung 1 ist mit dem Flansch 10 an der nur angedeutet dargestellten Stütze 13 befestigt.

Die Stütze 13 ist zum Beispiel Bestandteil eines Getriebegehäuses. Die Messhülse 3 ist außen an der Stütze 13 fest und ragt mit dem hohlzylindri- sehen Abschnitt 8 frei durch eine Bohrung 15 hindurch. Die Verbindung ist mit einer Dichtung 14 abgedichtet.

Auf dem Flansch 10 sind eine Sensorik 19 und Messelemente 16 angebracht. Die Messelemente 16 sind zum Beispiel Dehnmesselemente. Das Maschinenelement 7 stützt sich belastet und unbelastet über die Wälzkörper 5 auf der Messhülse 3 ab. Die Belastungen der Messhülse 3 führen zu Zugoder Druckspannungen an dem Flansch 10 und werden von den Messelementen 16 erfasst. Die Messergebnisse aus Verformungen werden zusammengeführt und über eine Leitung 17 zu einer nicht dargestellten Auswerte- einheit weitergeleitet und entsprechend ausgewertet.

Figur 2 zeigt eine alternative Anordnung der Sensorik an der Messhülse 3. Die Sensorik19 ist innen in der Messhülse 3 im hohlzylindrischen Abschnitt 8 in unmittelbarer Nähe der Laufbahn 20 angebracht und deshalb beispiels- weise zum Messen von Verformungen oder von Schall am Innenring der Lageranordnung geeignet.

Figur 3 und 4 zeigen eine Lageranordnung 21 mit einer Messhülse 22. Die Messhülse 22 weist innen eine Laufbahn 23 für die Wälzkörper 5 auf. Die Wälzkörper 5 sind im Käfig 24 geführt und radial zwischen der Messhülse 22 und einem Innenring 25 angeordnet. Der Innenring 25 sitzt auf einem Ma- schinenelement 26 in Form einer Welle. Die Messhülse 22 weist den radial nach außen gerichteten Flansch 10 mit Durchgangslöchern 11 auf, mit dem die Lageranordnung 21 an der Stütze 13 innen oder außen aufgesetzt ist.

Die Sensorik 19 bzw. ein Messelement 12 ist in der Anordnung nach Figur 3 beispielsweise am Flansch 10 fest und in der Anordnung nach Figur 4 alternativ zu Figur 3 auf einem hohlzylindrischen Abschnitt 27 der Messhülse 22 angeordnet.

Figur 5 und Figur 6 zeigen eine nach außen geschlossenen Lageranordnung 28, die außen an der Stütze 13 angeflanscht ist. Die Lageranordnung 28 ist besonders für die Anwendungen an Lagerungen von Getriebewellen 29 geeignet, da die vormontierte und messtechnisch vorkalibrierte Lageranordnung 28 von außen auf ein Gehäuse 33 aufgesetzt werden kann. Die Lageranordnung 28 weist eine napfförmig ausgebildete Messhülse 30 mit ei- nem geschlossenen Boden 31, einen hohlzylindrischen Abschnitt 32 und einen Flansch 10 auf. Die Lageranordnung 28 und das Gehäuse 33 sind durch die Messhülse 30 nach außen verschlossen. Der Sitz der Lageranordnung 28 auf dem Gehäuse ist mittels einer Dichtung 34 abgedichtet.

Die Messhülse 30 weist innen eine Laufbahn 40 für die Wälzkörper 5 auf. Das Lager ist weiter mit einem napfförmig ausgebildeten Innenring 35 versehen. Der Innenring 35 sitzt in dem in diesem Fall als Maschinenelement 36 ausgebildeten Getriebewelle 29. Die Sensorik 19 bzw. ein Messelement 37 sitzt wahlweise am Flansch 10 (Figur 5) oder an dem hohlzylindrischen Ab- schnitt 32 (Figur 6).

Es sind auch Lageranordnungen vorgesehen, bei der sowohl der hohlzylind-

rische Abschnitt und der Flansch, wahlweise auch innen oder außen mit Messelementen versehen sind.

Figur 7 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Lageranordnung 28, bei der wenigstens ein Messelement 37 oder eine Sensorik 19 am Boden 31 der

Messhülse 30 angeordnet ist. Mit derartiger Sensorik 19 sind zum Beispiel

Signale durch den geschlossenen Boden 31 oder, wie in Figur 7 dargestellt, durch eine öffnung 38 erfassbar. So ist nach dem Beispiel aus Figur 7 der

Abstand des Innenrings 35 zur Messhülse 30 in axiale Richtung messbar. Denkbar ist auch, dass der Innenring 35 stirnseitig mit einem wechselseitig polarisierten Signalgeber 39 versehen ist, so dass durch die Sensorik 19 die

Drehzahl der Welle 29 messbar ist.

Figur 7 zeigt eine Lageranordnung 41 mit einer Messhülse 42. Die Messhül- se 42 nimmt innen einen Lagerring 43 in Form eines Außenringes auf. An dem Außenring ist innen eine Laufbahn 44 für die Wälzkörper 5 ausgebildet. Die Wälzkörper 5 sind im Käfig 24 geführt und radial zwischen dem Lagerring 43 und einem Innenring 25 angeordnet. Der Innenring 25 sitzt auf einem Maschinenelement 26 in Form einer Welle. Die Messhülse 42 weist den ra- dial nach außen gerichteten Flansch 10 mit Durchgangslöchern 11 auf, mit dem die Lageranordnung 41 an der in diesem Falle nicht dargestellten Stütze 13 innen oder außen aufgesetzt ist.

Die Sensorik 19 bzw. ein Messelement 12 ist in der Anordnung nach Figur 8 auf einem hohlzylindrischen Abschnitt 45 der Messhülse 42 angeordnet. Alternativ oder außerdem kann die Sensorik 19 z. B. auch an dem Flansch 10 befestigt sein.

Bezugszeichen

Lageranordnung 23 Laufbahn innen

Lagerring innen 24 Käfig

Messhülse 25 Innenring

Laufbahn außen 26 Maschinenelement

Wälzkörper 27 hohlzylindrischer Abschnitt

Lagerring außen 28 Lageranordnung

Maschinenelement 29 Getriebewelle hohlzylindrischer Abschnitt 30 Messhülse

Boden 31 Boden

Flansch 32 hohlzylindrischer Abschnitt

Durchgangsloch 33 Gehäuse

Messelement 34 Dichtung

Stütze 35 Innenring

Dichtung 36 Maschinenelement

Bohrung 37 Messelement

Messelemente 38 öffnung

Leitung 39 Signalgeber

Befestigungsloch 40 Laufbahn innen

Sensorik 41 Lageranordnung

Laufbahn innen 42 Messhülse

Lageranordnung 43 Lagerring

Messhülse 44 Laufbahn

45 Abschnitt